Modélisation et contrôle en boucle fermée de la profondeur de l'anesthésie

Contexte scientifique

Un degré croissant d'automatisation et d'informatisation des processus dynamiques permet d'atteindre des objectifs de meilleure qualité, de réduire les coûts et de réduire l'impact éventuel sur les humains et la nature. Le contrôle automatique est un domaine infrastructurel qui comprend la modélisation mathématique, la simulation de systèmes dynamiques et les méthodes de contrôle automatique. L'approche systématique permet l'utilisation de méthodes de contrôle dans divers domaines techniques et non techniques, par conséquent, les progrès du contrôle automatique sont très utiles dans les projets interdisciplinaires.

De même, il existe de nombreux processus en médecine qui peuvent être améliorés par le contrôle automatique. Dans la littérature, il existe des approches de contrôle en boucle fermée de la profondeur de l'anesthésie, mais aucune ne semble avoir influencé la pratique clinique. Dans le cadre du projet, les chercheurs développeront un système de contrôle en boucle fermée de la profondeur de l'anesthésie à l'aide de l'indice BIS, qui sera basé sur un modèle prédictif et tiendra compte des propriétés individuelles de chaque patient obtenues à partir des mesures.

Identification du problème

Pour réaliser une anesthésie générale, il est nécessaire d'utiliser des substances qui permettent une inconscience profonde, une analgésie, une amnésie et une relaxation musculaire, toutes nécessaires à la réalisation d'une intervention chirurgicale ou d'un acte diagnostique. L'anesthésie générale et les activités dynamiques associées dans le corps humain est un processus compliqué, qui comprend des mécanismes pharmacocinétiques et pharmacodynamiques, qui n'ont pas encore été complètement étudiés.

Pendant l'anesthésie générale, l'anesthésiste doit surveiller les fonctions vitales du patient et maintenir les fonctions des organes vitaux. Pour réaliser l'anesthésie, des substances sont introduites de différentes manières dans le corps du patient. Dans la pratique clinique, les méthodes les plus couramment utilisées sont l'induction intraveineuse d'un agent anesthésique, c'est-à-dire l'injection de l'anesthésique dans une veine, et l'induction de l'anesthésie par inhalation, par laquelle le patient inhale la substance du mélange respiratoire. L'anesthésie intraveineuse totale (TIVA) est une technique d'anesthésie, où des substances sont injectées par voie intraveineuse.

L'anesthésiste doit ajuster la dose d'anesthésique pour maintenir la profondeur appropriée de l'anesthésie générale en fonction de la pharmacocinétique et de la pharmacodynamique de l'agent anesthésique et en tenant compte du type de procédure. Une profondeur d'anesthésie inadéquate se manifeste par l'activation des nerfs sympathiques ou, dans le cas le plus improbable, par le réveil du patient. Une anesthésie trop profonde se manifeste par une baisse du niveau de tension artérielle et de la fréquence cardiaque ainsi qu'un réveil postopératoire lent du patient après une anesthésie générale. Dans la pratique clinique moderne, la profondeur de l'anesthésie est déterminée en évaluant les signes cliniques pertinents (iris, transpiration, mouvements), en interprétant les mesures hémodynamiques et en estimant la profondeur de l'anesthésie à partir des signaux EEG, pour lesquels plusieurs systèmes de mesure établis existent déjà, par ex. Index BIS, Narcotrend, Entropie d'échelle, Entropie de réponse, Index d'état cérébral, Analyseur d'état du patient, Index de similarité, Index de stress chirurgical, Potentiel évoqué auditif, Index d'état du patient (PSi). La mesure de l'indice BIS est une méthode non invasive, où un moniteur BIS est connecté à des électrodes sur la tête du patient. En mesurant les signaux EEG, l'indice bispectral est défini, représentant la profondeur de l'anesthésie. Le moniteur BIS fournit un nombre unique sans dimension, qui va de 0 (équivalent au silence EEG) à 100. Une valeur BIS entre 40 et 60 indique un niveau approprié pour une anesthésie générale, alors qu'une valeur inférieure à 40 est appropriée pour une sédation à long terme due à des traumatismes crâniens. La référence peut ainsi être réglée sur la valeur applicable ; la manière et la vitesse d'approche de la valeur de référence dépendent des caractéristiques spécifiques de la procédure et de la pharmacocinétique et de la pharmacodynamique de la substance dans le corps du patient. Une nouvelle méthode de mesure de la profondeur d'anesthésie très prometteuse basée sur les signaux EEG est le Patient State Index (PSi). Le capteur frontal collecte les données EEG du patient à partir du lobe frontal des deux côtés du cerveau, ce qui est un avantage de la méthode PSi. Le système de mesure PSi dispose d'un moteur de traitement de signal amélioré, qui fournit le calcul PSi avec un délai minimal. L'indice calculé représente une variable basée sur l'EEG traité liée à l'effet des agents anesthésiques. Pour l'anesthésie générale, une valeur PSi comprise entre 25 et 50 est considérée comme appropriée.

Objectif de la recherche proposée avec un accent particulier sur l'originalité de la recherche proposée et son impact potentiel pour le développement de nouvelles directions de recherche

L'anesthésiste ajuste l'injection d'agents anesthésiques intraveineux en fonction de la profondeur de l'anesthésie. Le système en boucle fermée pour l'administration d'agent anesthésique intraveineux permettra une réaction immédiate et un ajustement du débit anesthésique intraveineux. Dans ce projet, les chercheurs se concentreront sur le contrôle en boucle fermée du débit dans l'administration intraveineuse de propofol. L'induction du propofol affecte l'indice EEG et un contrôleur adéquat règle la pompe à perfusion de manière à ce que l'indice EEG suive au plus près la trajectoire prescrite par l'anesthésiste.

Le projet de recherche proposé est divisé en deux parties :

• le développement d'un modèle mathématique décrivant l'impact de l'administration d'agent anesthésique sur la profondeur de l'anesthésie (indice EEG) ;
• le développement d'un système de contrôle en boucle fermée pour la profondeur de l'anesthésie.

La première phase débutera par la modélisation de la dynamique d'administration des agents anesthésiques impactant la profondeur anesthésique. Les avantages du développement d'un modèle mathématique dynamique sont les suivants : meilleure compréhension du processus et de sa dynamique ; le modèle présente la base pour développer un simulateur et pour mener des expériences de simulation utiles dans la phase de conception du système de contrôle en boucle fermée ; le modèle mathématique dynamique peut être employé dans l'algorithme de commande, notamment pour les approches de commande prédictive.

L'entrée du contrôleur est représentée par deux signaux : la valeur de référence de l'indice EEG et la valeur réelle de l'indice EEG. Le contrôleur utilise ces deux signaux pour calculer le signal d'entrée approprié de la pompe à perfusion, qui administre le propofol avec un débit défini par le contrôleur. Une fois que le propofol est administré dans le corps, son niveau dans le sang augmente et, par conséquent, la concentration au site d'effet, c'est-à-dire le système nerveux central, augmente également. La modification de la concentration de propofol est un processus dynamique qui dépend du système pharmacocinétique du patient. Le niveau de concentration de propofol au site d'effet représente l'entrée du système pharmacodynamique, décrivant la profondeur de l'anesthésie, qui pourrait être traitée comme la sortie du système pharmacodynamique. La profondeur de l'anesthésie affecte les ondes cérébrales, mesurées par des électrodes pour mesurer les signaux EEG. Le moniteur EEG mesure les signaux et utilise ces mesures pour établir l'index EEG. L'induction d'autres agents anesthésiques (par ex. l'analgésique rémifentanil), qui impacte également partiellement l'indice EEG, est considéré comme une perturbation.

L'originalité des résultats attendus

Dans ce projet, la profondeur de l'anesthésie sera traitée sous 3 angles : modélisation, simulation et contrôle.

Le problème de la modélisation de l'effet du propofol est décrit dans la littérature de diverses manières. Des modèles pharmacocinétiques et pharmacodynamiques, tels que Marsh, Schneider, Kataria, Schüttler, White-Kenny ont été développés à ces fins. Les modèles définissent généralement la structure de base du système d'exploitation dynamique du propofol et les paramètres dépendent des patients individuels. Les valeurs des paramètres du modèle sont affectées par le patient et ses caractéristiques (poids, taille, âge, sexe, etc.) ainsi que la sensibilité individuelle au propofol et la capacité à excréter le propofol.

Un modèle mathématique du propofol affectant la dynamique de la profondeur de l'anesthésie sera développé sur la base des modèles existants dans la littérature. Les chercheurs développeront le modèle en utilisant des approches de modélisation classiques, telles que les équations différentielles avec les représentations du domaine de Laplace et de l'espace d'état, ainsi que des approches avancées : la dynamique non linéaire sera traitée à l'aide de la logique floue, à savoir les modèles de Takagi-Sugeno. Un modèle dynamique validé de manière appropriée pour l'activité du propofol servira de base au développement d'un simulateur aidant l'anesthésiste à étudier en toute sécurité les procédures anesthésiques. Il simplifiera la compréhension du mécanisme de fonctionnement du propofol et permettra de tester différents scénarios d'administration du propofol.

Plusieurs modèles pharmacocinétiques développés sont utilisés dans certaines pompes à perfusion pour la perfusion contrôlée par cible (TCI), où la pompe définit le bon débit du médicament par rapport au modèle. Le problème avec ces modèles est qu'ils ne reflètent souvent pas la dynamique réelle, qui dépend également de la sensibilité individuelle des patients à la substance, donc de telles approches, basées sur l'induction en boucle ouverte, ne donnent souvent pas les meilleures performances.

L'algorithme de contrôle en boucle fermée de la profondeur d'anesthésie sera basé sur le contrôle 2-DOF, ce qui signifie qu'il peut être fonctionnellement divisé en deux parties : la partie prédictive et la partie de rétroaction. Par conséquent, l'algorithme fusionne les avantages du contrôle en boucle ouverte et en boucle fermée. La partie feedforward utilisera le modèle du propofol pour calculer le débit selon la trajectoire de référence de l'indice EEG. D'autre part, la partie rétroaction fournira les corrections de flux appropriées basées sur les mesures d'indice EEG. L'avantage de l'approche proposée est que la partie prédictive de l'algorithme de contrôle peut rapprocher la valeur réelle de l'indice EEG de la trajectoire de référence, tandis que la partie rétroaction compense l'erreur de contrôle, qui se produit en raison d'une modélisation imprécise, du bruit et d'éventuelles perturbations sur le système réel, comme par exemple l'induction du rémifentanil.

L'algorithme de contrôle sera basé sur le modèle dynamique développé du propofol qui sera utilisé pour prédire la profondeur de l'anesthésie. En adaptant en ligne les paramètres du modèle dynamique interne, l'algorithme prendra en compte la réponse individuelle du patient au propofol, estimée à partir des mesures effectuées au cours de la procédure.

Les méthodes de travail

Les travaux du projet débuteront par des études de modélisation et de simulation des effets du propofol. La procédure de modélisation impliquera des approches théoriques et expérimentales. Dans le cadre de la modélisation théorique, les chercheurs utiliseront les connaissances sur les mécanismes pharmacocinétiques et pharmacodynamiques, tandis que l'approche expérimentale complétera l'approche théorique en utilisant les mesures appropriées pour identifier la structure et les paramètres du modèle. La modélisation mathématique des systèmes complexes est une procédure itérative, nécessitant la vérification et la validation du modèle développé à chaque étape consécutive. La qualité des données, obtenues à partir d'expériences conçues de manière appropriée, est de la plus haute importance. Les signaux mesurés doivent être correctement synchronisés, correctement filtrés, échantillonnés et des segments d'information adéquats doivent être sélectionnés pour l'identification.

Le modèle développé sera testé dans l'environnement Matlab-Simulink. L'environnement de simulation virtuelle permettra diverses expériences de validation du comportement du modèle et de comparaison avec la dynamique mesurée de la profondeur d'anesthésie. Les chercheurs développeront une interface utilisateur qui facilitera la conduite d'expériences de simulation. Le système développé pour le contrôle en boucle fermée de la profondeur de l'anesthésie sera d'abord testé dans un environnement virtuel. Enfin, les investigateurs le testeront également - sous contrôle anesthésique - en pratique clinique.

Le protocole anesthésique avec des descriptions détaillées du déroulement de l'opération et de l'induction d'agents particuliers est décrit dans la demande en cours d'examen par le Comité national d'éthique médicale de Slovénie. En raison de contraintes d'espace, les détails susmentionnés ne sont pas indiqués ici.

Pertinence et impact potentiel des résultats

Malgré les avantages évidents du contrôle en boucle fermée de la profondeur de l'anesthésie, de telles approches ne sont pas encore utilisées en pratique clinique. Par conséquent, le principal résultat de ce projet sera le développement et l'étude du potentiel de mise en œuvre d'un système de contrôle en boucle fermée pour la profondeur de l'anesthésie, basé sur des mesures d'index EEG. Dans la première partie du projet, les chercheurs développeront un modèle dynamique traitant des effets des agents anesthésiques sur la profondeur de l'anesthésie, tandis que la seconde partie sera consacrée au développement d'un système de contrôle en boucle fermée de la profondeur de l'anesthésie. Le modèle développé sera validé en comparant ses sorties aux mesures de processus dynamiques sur de vrais patients. Enfin, les performances du système de contrôle en boucle fermée seront évaluées en pratique clinique.

Nous espérons qu'en utilisant le concept proposé de contrôle en boucle fermée de la profondeur de l'anesthésie, qui est mesuré par l'indice EEG et contrôlé par l'administration de propofol, un meilleur déroulement de l'anesthésie en profondeur qu'en mode manuel sera atteint. Le système de contrôle évitera les dépassements excessifs de la trajectoire de l'indice EEG, réagira instantanément à un comportement dynamique inattendu, compensera efficacement les perturbations et tiendra compte des propriétés pharmacocinétiques et pharmacodynamiques a priori inconnues d'un patient particulier. En revanche, l'anesthésiste ne sera prévenu qu'en cas de valeur non prédite de l'indice EEG ou de débit de propofol hors des contraintes prescrites. De cette manière, l'anesthésiste pourra consacrer son attention à d'autres aspects critiques de l'anesthésie. Bien que l'anesthésiste n'ait pas à surveiller en permanence la valeur de l'indice EEG, le système automatique diminuera l'écart de profondeur d'anesthésie par rapport à la valeur souhaitée. Un meilleur suivi de la trajectoire de référence sera certainement bénéfique pour les patients car il diminuera la possibilité d'être éveillé pendant la procédure et en même temps empêchera une administration excessive de propofol, ce qui facilitera la récupération postopératoire et les effets indésirables du propofol. Cela réduira également la quantité de propofol utilisée pendant la procédure.

Réalisations exceptionnelles socio-économiques ou culturellement pertinentes du porteur de projet

Le principal domaine de recherche du chef de projet Assist. Prof. Dr. Gorazd Karer modélise, simule et contrôle des systèmes dynamiques. Depuis sa soutenance de thèse en 2009, il a travaillé intensivement notamment sur les approches avancées de la modélisation mathématique et sur le contrôle des processus dynamiques. Il est auteur ou co-auteur de 16 articles scientifiques, 28 communications à des congrès, 1 monographie scientifique, 1 chapitre de monographie scientifique, 1 dictionnaire terminologique, 3 études et directeur de 14 thèses de licence soutenues avec succès.

Il est impliqué dans plusieurs cours dans le domaine de la modélisation, de la théorie des systèmes et du contrôle automatique à la Faculté de génie électrique de l'Université de Ljubljana. Les cours Automatic Control Systems et Automatic Control sont les cours de base du programme d'études Control Engineering. Les formations Control Systems Instrumentation et Control Technology Instrumentation traitent des aspects technologiques et des capteurs. Les cours Modélisation et Traitement du Signal et Méthodes de Modélisation traitent de la modélisation des systèmes dynamiques. Les approches de ces derniers seront utiles surtout pour la première étape du projet de recherche.

En 2013, il a publié une monographie scientifique chez Springer Verlag intitulée Predictive Approaches to Control of Complex Systems avec son co-auteur, le professeur Igor Škrjanc. La monographie a été favorablement acceptée par la communauté scientifique car elle a été téléchargée sous forme électronique plus de 11 000 fois depuis sa mise en ligne sur Springer. La monographie traite des algorithmes de contrôle avancés pour les systèmes à dynamique complexe, qui incluent également les processus dynamiques pendant l'anesthésie. Par conséquent, les approches décrites dans la monographie représentent une excellente base pour le développement d'un système de contrôle en boucle fermée de la profondeur de l'anesthésie proposé dans ce projet.

Il a été l'initiateur et l'un des auteurs du Dictionnaire de l'automatisme, des systèmes et de la robotique, publié en 2014. Dans la phase de préparation, la section terminologique de l'Institut Fran Ramovš de la langue slovène du Centre de recherche de l'Académie slovène des sciences et des arts (ZRC SAZU) a été impliquée. Au cours du projet, il a travaillé intensivement sur les définitions terminologiques des concepts de son domaine de recherche. Une telle expérience terminologique facilite la communication au sein d'équipes interdisciplinaires, notamment avec des collaborateurs peu familiarisés avec le domaine de l'automatique. Par conséquent, cela bénéficiera également à la coopération avec l'anesthésiste impliqué dans le projet proposé.

Il a été secrétaire de la société de contrôle automatique de Slovénie de 2010 à 2014 et est membre du comité exécutif depuis 2014. Les contacts au sein de la société permettent des connexions avec les experts travaillant dans le domaine du contrôle automatique à la fois dans le milieu universitaire et dans l'industrie, ce qui donne un bon aperçu de l'état du contrôle automatique en Slovénie.

Il a été impliqué dans le Centre de compétence pour les technologies de contrôle avancées, où une approche de contrôle, basée sur des indicateurs de performance clés (KPI) et l'identification de modèles dynamiques a été développée. L'approche est conceptuellement liée au système de contrôle en boucle fermée proposé pour la profondeur de l'anesthésie. Les modalités d'acquisition des connaissances de l'historique des KPI seront également utiles pour faire évoluer le système de contrôle proposé, bien entendu en considérant les particularités liées à l'anesthésie et en faisant intervenir les connaissances des anesthésistes collaborateurs.

Structure organisationnelle et faisabilité du projet

Le projet sera réalisé en collaboration avec un groupe de recherche du Département d'anesthésiologie et de thérapie intensive chirurgicale (KOAIT) du Centre médical universitaire (UKC) de Ljubljana, dirigé par Boris Počkar. Le groupe est composé d'anesthésistes qui ont accès aux équipements nécessaires à la validation clinique des résultats théoriques du projet et des études de simulation. La partie clinique de la recherche sera effectuée au département d'ophtalmologie UKC Ljubljana pour les chirurgies vitrorétiniennes, au département de neurochirurgie UKC Ljubljana pour les patients subissant une intervention chirurgicale en raison de processus expansifs dans la tête, et à l'unité de soins intensifs KOAIT UKC Ljubljana pour les patients nécessitant une sédation à long terme en raison de blessures à la tête. Pour établir les concentrations plasmatiques des agents anesthésiques, les enquêteurs coopéreront avec l'Institut de chimie clinique et de biochimie UKC Ljubljana. Les premières mesures seront effectuées après l'obtention de l'approbation du Comité national d'éthique médicale de Slovénie.