Modelado y control de circuito cerrado de la profundidad de la anestesia

Antecedentes científicos

Un grado cada vez mayor de automatización e informatización de los procesos dinámicos permite una mayor calidad de los objetivos alcanzados, menores costos y un menor impacto final en los seres humanos y la naturaleza por igual. El control automático es un campo de infraestructura que comprende modelado matemático, simulación de sistemas dinámicos y métodos de control automático. El enfoque sistemático permite el uso de métodos de control en diversos campos técnicos y no técnicos, por lo tanto, los avances en control automático son muy útiles en proyectos interdisciplinarios.

Asimismo, hay muchos procesos en medicina que se pueden mejorar mediante el control automático. En la literatura, ha habido algunos enfoques para el control de circuito cerrado de la profundidad de la anestesia, pero ninguno parece haber influido en la práctica clínica. Dentro del proyecto, los investigadores desarrollarán un sistema para el control de lazo cerrado de la profundidad de la anestesia utilizando el índice BIS, que se basará en un modelo predictivo y considerará las propiedades individuales de cada paciente que se obtienen a partir de las mediciones.

Problema de identificación

Para realizar una anestesia general es necesario el uso de sustancias que permitan inconsciencia profunda, analgesia, amnesia y relajación muscular, todo lo necesario para realizar una cirugía o un procedimiento diagnóstico. La anestesia general y las actividades dinámicas relacionadas en el cuerpo humano es un proceso complicado, que incluye mecanismos farmacocinéticos y farmacodinámicos, que aún no se han estudiado completamente.

Durante la anestesia general, el anestesiólogo necesita monitorear las funciones vitales del paciente y mantener las funciones de los órganos vitales. Para lograr la anestesia, las sustancias se introducen de diferentes maneras en el cuerpo del paciente. En la práctica clínica, los métodos más utilizados son la inducción intravenosa de un agente anestésico, es decir, la inyección del anestésico en una vena, y la inducción de la anestesia por inhalación, en la que el paciente inhala la sustancia de la mezcla de respiración. La anestesia total intravenosa (TIVA) es una técnica anestesiológica en la que se inyectan sustancias por vía intravenosa.

El anestesiólogo debe ajustar la dosis de anestésico para mantener la profundidad adecuada de la anestesia general de acuerdo con la farmacocinética y la farmacodinámica del agente anestésico y teniendo en cuenta el tipo de procedimiento. La profundidad inadecuada de la anestesia se manifiesta con la activación de los nervios simpáticos o, en el caso más improbable, con el despertar del paciente. La anestesia demasiado profunda se manifiesta con una caída en el nivel de la presión arterial y la frecuencia cardíaca, así como un lento despertar postoperatorio del paciente de la anestesia general. En la práctica clínica moderna, la profundidad de la anestesia se determina evaluando los signos clínicos relevantes (iris, sudoración, movimientos), interpretando las mediciones hemodinámicas y estimando la profundidad de la anestesia a partir de señales de EEG, para las cuales ya existen varios sistemas de medición establecidos, p. Índice BIS, Narcotrend, Entropía de escala, Entropía de respuesta, Índice de estado cerebral, Analizador de estado del paciente, Índice de similitud, Índice de estrés quirúrgico, Potencial evocado auditivo, Índice de estado del paciente (PSi). La medición del índice BIS es un método no invasivo en el que se conecta un monitor BIS a electrodos en la cabeza del paciente. Al medir las señales del EEG se define el índice biespectral, que representa la profundidad de la anestesia. El monitor BIS proporciona un único número adimensional, que va de 0 (equivalente al silencio del EEG) a 100. Un valor de BIS entre 40 y 60 indica un nivel apropiado para anestesia general, mientras que para la sedación a largo plazo debido a lesiones en la cabeza, un valor por debajo de 40 es apropiado. Por lo tanto, la referencia se puede establecer en el valor aplicable; la forma y la velocidad de aproximación al valor de referencia dependen de las características específicas del procedimiento y de la farmacocinética y farmacodinámica de la sustancia en el organismo del paciente. Un nuevo método de medición de la profundidad de la anestesia muy prometedor basado en señales de EEG es el índice de estado del paciente (PSi). El sensor de la frente recopila los datos del EEG del paciente desde el lóbulo frontal en ambos lados del cerebro, lo cual es una ventaja del método PSi. El sistema de medición de PSi cuenta con un motor de procesamiento de señales mejorado, que proporciona el cálculo de PSi con un retraso mínimo. El índice calculado representa una variable basada en EEG procesada relacionada con el efecto de los agentes anestésicos. Para anestesia general, se considera apropiado un valor de PSi entre 25 y 50.

Objetivo de la investigación propuesta con especial énfasis en la originalidad de la investigación propuesta y su impacto potencial para el desarrollo de nuevas direcciones de investigación

El anestesiólogo ajusta la inyección de agentes anestésicos intravenosos según la profundidad de la anestesia. El sistema de circuito cerrado para la administración del agente anestésico intravenoso permitirá una reacción y un ajuste inmediatos del flujo anestésico intravenoso. En este proyecto, los investigadores se centrarán en el control de circuito cerrado del flujo en la administración intravenosa de propofol. La inducción de propofol afecta el índice EEG y un controlador adecuado configura la bomba de infusión para que el índice EEG siga lo más cerca posible de la trayectoria prescrita por el anestesiólogo.

El proyecto de investigación propuesto se divide en dos partes:

• el desarrollo de un modelo matemático que describa el impacto de la administración de agentes anestésicos en la profundidad de la anestesia (índice EEG);
• el desarrollo de un sistema de control de circuito cerrado para la profundidad de la anestesia.

La primera fase comenzará con el modelado de la dinámica de la administración del agente anestésico que impacta en la profundidad anestésica. Las ventajas de desarrollar un modelo dinámico matemático son las siguientes: mejor comprensión del proceso y su dinámica; el modelo presenta la base para desarrollar un simulador y ejecutar experimentos de simulación que son útiles en la fase de diseño del sistema de control de circuito cerrado; el modelo matemático dinámico se puede emplear en el algoritmo de control, especialmente para enfoques de control predictivo.

La entrada del controlador está representada por dos señales: el valor de referencia del índice EEG y el valor real del índice EEG. El controlador utiliza estas dos señales para calcular la señal de entrada adecuada de la bomba de infusión, que administra propofol con un flujo establecido por el controlador. Una vez que el propofol se administra en el cuerpo, su nivel en la sangre aumenta y, en consecuencia, también aumenta la concentración en el sitio de efecto, es decir, el sistema nervioso central. El cambio de la concentración de propofol es un proceso dinámico que depende del sistema farmacocinético del paciente. El nivel de concentración de propofol en el sitio de efecto representa la entrada del sistema farmacodinámico, que describe la profundidad de la anestesia, que podría tratarse como la salida del sistema farmacodinámico. La profundidad de la anestesia afecta las ondas cerebrales, medidas por electrodos para medir señales de EEG. El monitor EEG mide las señales y utiliza estas medidas para establecer el índice EEG. La inducción de otros agentes anestésicos (p. analgésico remifentanilo), que también afecta parcialmente el índice EEG, se considera una alteración.

La originalidad de los resultados esperados.

En este proyecto se tratará la profundidad de la anestesia desde 3 perspectivas: modelado, simulación y control.

El problema de modelar el efecto del propofol se describe en la literatura de varias maneras. Para tales fines se han desarrollado modelos farmacocinéticos y farmacodinámicos, como Marsh, Schneider, Kataria, Schüttler, White-Kenny. Los modelos típicamente definen la estructura básica del sistema operativo dinámico de propofol y los parámetros dependen de cada paciente. Los valores de los parámetros del modelo se ven afectados por el paciente y sus características (peso, altura, edad, sexo, etc.), así como por la sensibilidad individual al propofol y la capacidad de excretar propofol.

Se desarrollará un modelo matemático de propofol que afecta la dinámica de la profundidad de la anestesia basado en los modelos existentes en la literatura. Los investigadores desarrollarán el modelo utilizando enfoques de modelado clásicos, como ecuaciones diferenciales con el dominio de Laplace y representaciones de espacio de estado, así como enfoques avanzados: la dinámica no lineal se tratará mediante lógica difusa, es decir, modelos Takagi-Sugeno. Un modelo dinámico adecuadamente validado para la actividad del propofol será la base para desarrollar un simulador que ayude al anestesiólogo en el estudio seguro de los procedimientos anestesiológicos. Simplificará la comprensión del mecanismo operativo del propofol y permitirá probar diferentes escenarios de administración de propofol.

Varios modelos farmacocinéticos desarrollados se utilizan en ciertas bombas de infusión para infusión controlada por objetivo (TCI), donde la bomba establece el flujo adecuado de la medicación con respecto al modelo. El problema de estos modelos es que a menudo no reflejan la dinámica real, que también depende de la sensibilidad individual de los pacientes a la sustancia, por lo que estos enfoques, basados ​​en la inducción de circuito abierto, a menudo no ofrecen el mejor rendimiento.

El algoritmo para el control de bucle cerrado de la profundidad anestésica se basará en el control 2-DOF, lo que significa que se puede dividir funcionalmente en dos partes: la parte de avance y la parte de retroalimentación. Por lo tanto, el algoritmo combina las ventajas del control de bucle abierto y de bucle cerrado. La parte feedforward utilizará el modelo de propofol para calcular el flujo de acuerdo con la trayectoria de referencia del índice EEG. Por otro lado, la parte de retroalimentación proporcionará las correcciones de flujo adecuadas en función de las mediciones del índice EEG. La ventaja del enfoque propuesto es que la parte de avance del algoritmo de control puede acercar el valor real del índice EEG a la trayectoria de referencia, mientras que la parte de retroalimentación compensa el error de control, que ocurre debido a un modelado inexacto, ruido y eventuales perturbaciones en el sistema real, como por ejemplo la inducción de remifentanilo.

El algoritmo de control se basará en el modelo dinámico desarrollado de propofol que se utilizará para predecir la profundidad de la anestesia. Mediante la adaptación en línea de los parámetros del modelo dinámico interno, el algoritmo considerará la respuesta individual del paciente al propofol, estimada a partir de las mediciones durante el procedimiento.

Métodos de trabajo

El trabajo del proyecto comenzará con estudios de modelado y simulación de los efectos del propofol. El procedimiento de modelado involucrará enfoques teóricos y experimentales. Dentro del marco de modelado teórico, los investigadores utilizarán el conocimiento sobre los mecanismos farmacocinéticos y farmacodinámicos, mientras que el enfoque experimental complementará el teórico utilizando las medidas adecuadas para identificar la estructura y los parámetros del modelo. El modelado matemático de sistemas complejos es un procedimiento iterativo que requiere verificación y validación del modelo desarrollado en cada paso consecutivo. La calidad de los datos, obtenidos a partir de experimentos adecuadamente diseñados, es de suma importancia. Las señales medidas deben estar correctamente sincronizadas, debidamente filtradas, muestreadas y deben seleccionarse segmentos adecuados desde el punto de vista de la información para su identificación.

El modelo desarrollado se probará en el entorno Matlab-Simulink. El entorno de simulación virtual permitirá varios experimentos para la validación del comportamiento del modelo y la comparación con la dinámica medida de la profundidad de la anestesia. Los investigadores desarrollarán una interfaz de usuario que facilitará la realización de experimentos de simulación. El sistema desarrollado para el control de circuito cerrado de la profundidad de la anestesia se probará primero en un entorno virtual. Finalmente, los investigadores también lo probarán, bajo supervisión anestesiológica, en la práctica clínica.

El protocolo anestesiológico con descripciones detalladas del curso de la operación y la inducción de agentes particulares se describe en la solicitud que se está considerando en el Comité Nacional de Ética Médica de Eslovenia. Debido a restricciones de espacio, los detalles antes mencionados no se indican aquí.

Relevancia y potencial impacto de los resultados

A pesar de las ventajas obvias del control de circuito cerrado de la profundidad anestésica, tales enfoques aún no se utilizan en la práctica clínica. Por lo tanto, el principal resultado de este proyecto será el desarrollo y el estudio del potencial de implementación de un sistema de control de circuito cerrado para la profundidad de la anestesia, basado en mediciones del índice EEG. En la primera parte del proyecto, los investigadores desarrollarán un modelo dinámico que se ocupe de los efectos de los agentes anestesiológicos en la profundidad de la anestesia, mientras que la segunda parte estará dedicada al desarrollo de un sistema para el control de bucle cerrado de la profundidad de la anestesia. El modelo desarrollado se validará comparando sus resultados con las mediciones de procesos dinámicos en pacientes reales. Finalmente, el desempeño del sistema de control de circuito cerrado se evaluará en la práctica clínica.

Esperamos que al utilizar el concepto propuesto de control de bucle cerrado de la profundidad de la anestesia, que se mide mediante el índice EEG y se controla mediante la administración de propofol, se logrará un mejor curso de anestesia profunda que en la operación manual. El sistema de control evitará sobreimpulsos excesivos de la trayectoria del índice EEG, reaccionará instantáneamente a un comportamiento dinámico inesperado, compensará de manera efectiva las alteraciones y considerará las propiedades farmacocinéticas y farmacodinámicas desconocidas a priori de un paciente en particular. Por otro lado, el anestesiólogo será notificado solo en casos de valor imprevisto del índice EEG o flujo de propofol fuera de las restricciones prescritas. De esta forma, el anestesiólogo podrá dedicar su atención a otros aspectos críticos de la anestesia. Aunque el anestesiólogo no tendrá que monitorear continuamente el valor del índice EEG, el sistema automático disminuirá la desviación de la profundidad de la anestesia del valor deseado. El seguimiento mejorado de la trayectoria de referencia sin duda será beneficioso para los pacientes, ya que disminuirá la posibilidad de estar despierto durante el procedimiento y, al mismo tiempo, evitará la administración excesiva de propofol, lo que facilitará la recuperación posoperatoria y los eventos adversos del propofol. También disminuirá la cantidad de propofol utilizada durante el procedimiento.

Logros socioeconómicos o culturalmente relevantes excepcionales del líder del proyecto

El principal campo de investigación del líder del proyecto Assist. Prof. Dr. Gorazd Karer son modelado, simulación y control de sistemas dinámicos. Desde la defensa de su doctorado en 2009, ha estado trabajando intensamente, especialmente en enfoques avanzados de modelado matemático y control de procesos dinámicos. Es autor o coautor de 16 artículos científicos, 28 comunicaciones a congresos, 1 monografía científica, 1 capítulo de monografía científica, 1 diccionario terminológico, 3 estudios y director de 14 tesis de licenciatura defendidas con éxito.

Participa en varios cursos en el campo del modelado, teoría de sistemas y control automático en la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Ljubljana. Los cursos Sistemas de Control Automático y Control Automático son los cursos básicos en el programa de estudio de Ingeniería de Control. Los cursos Instrumentación de Sistemas de Control e Instrumentación de Tecnología de Control tratan aspectos tecnológicos y sensores. Los cursos Modelado y Procesamiento de Señales y Métodos de Modelado tratan el modelado de sistemas dinámicos. Los enfoques de este último serán útiles especialmente para la primera etapa del proyecto de investigación.

En 2013, publicó una monografía científica con Springer Verlag titulada Enfoques predictivos para el control de sistemas complejos con su coautor, el Prof. Dr. Igor Škrjanc. La monografía ha tenido una aceptación favorable en la comunidad científica, ya que se ha descargado en formato electrónico más de 11 000 veces desde que estuvo disponible en línea en Springer. La monografía trata sobre algoritmos de control avanzados para sistemas con dinámicas complejas, que también incluyen los procesos dinámicos durante la anestesia. Por lo tanto, los enfoques descritos en la monografía representan una base excelente para el desarrollo de un sistema de control de lazo cerrado de la profundidad de la anestesia propuesto en este proyecto.

Fue el iniciador y uno de los autores del Diccionario de control automático, sistemas y robótica, publicado en 2014. En la fase de preparación, participó la Sección Terminológica del Instituto Fran Ramovš de la Lengua Eslovena en el Centro de Investigación de la Academia de Ciencias y Artes de Eslovenia (ZRC SAZU). Durante el proyecto estuvo trabajando intensamente en las definiciones terminológicas de conceptos de su campo de investigación. Tal experiencia terminológica facilita la comunicación en equipos interdisciplinarios, especialmente con compañeros de trabajo que no están familiarizados con el campo del control automático. Por lo tanto, también beneficiará la cooperación con el anestesiólogo involucrado en el proyecto propuesto.

Fue secretario de la Sociedad de Control Automático de Eslovenia de 2010 a 2014 y es miembro del Comité Ejecutivo desde 2014. Los contactos dentro de la sociedad permiten conexiones con los expertos que trabajan en el campo del control automático tanto en la academia como en la industria, lo que proporciona una buena visión general del estado del control automático en Eslovenia.

Estuvo involucrado en el Centro de Competencia para Tecnologías de Control Avanzado, donde se desarrolló un enfoque de control basado en indicadores clave de rendimiento (KPI) e identificación de modelos dinámicos. El enfoque está conceptualmente relacionado con el sistema de control de circuito cerrado propuesto para la profundidad de la anestesia. Los métodos de adquisición de conocimiento de la historia de los KPI también serán útiles para desarrollar el sistema de control propuesto, por supuesto considerando las particularidades anestésicas e involucrando el conocimiento de los anestesiólogos colaboradores.

Estructura organizativa y viabilidad del proyecto

El proyecto se realizará en colaboración con un grupo de investigación del Departamento de Anestesiología y Terapia Intensiva Quirúrgica (KOAIT) del Centro Médico Universitario (UKC) Ljubljana, dirigido por Boris Počkar. El grupo está formado por anestesiólogos que tienen acceso al equipamiento necesario para validar clínicamente los resultados teóricos del proyecto y los estudios de simulación. La parte clínica de la investigación se llevará a cabo en el Departamento de Oftalmología UKC Ljubljana para cirugías vitrorretinianas, en el Departamento de Neurocirugía UKC Ljubljana para pacientes sometidos a cirugía debido a procesos expansivos en la cabeza y en la Unidad de Cuidados Intensivos KOAIT UKC Ljubljana para pacientes que necesitan sedación a largo plazo debido a lesiones en la cabeza. Para establecer las concentraciones plasmáticas de agentes anestésicos, los investigadores cooperarán con el Instituto de Química Clínica y Bioquímica UKC Ljubljana. Las primeras mediciones se realizarán después de obtener la aprobación del Comité Nacional de Ética Médica de Eslovenia.