Modelagem e Controle de Circuito Fechado da Profundidade da Anestesia

Formação científica

Um grau crescente de automação e informatização de processos dinâmicos permite maior qualidade dos objetivos alcançados, custos mais baixos e menor impacto eventual nos seres humanos e na natureza. O controle automático é um campo de infraestrutura que compreende modelagem matemática, simulação de sistemas dinâmicos e métodos de controle automático. A abordagem sistemática permite o uso de métodos de controle em vários campos técnicos e não técnicos, portanto, os avanços no controle automático são muito úteis em projetos interdisciplinares.

Da mesma forma, existem muitos processos na medicina que podem ser melhorados pelo controle automático. Na literatura, existem algumas abordagens para o controle de circuito fechado da profundidade da anestesia, mas nenhuma parece ter influenciado a prática clínica. Dentro do projeto, os pesquisadores desenvolverão um sistema de controle de profundidade de anestesia em malha fechada usando o índice BIS, que será baseado em um modelo preditivo e considerará propriedades individuais de cada paciente que são obtidas a partir das medições.

Identificação de problema

Para realizar uma anestesia geral, é necessário o uso de substâncias que possibilitam inconsciência profunda, analgesia, amnésia e relaxamento muscular, necessários para a realização de uma cirurgia ou procedimento diagnóstico. A anestesia geral e atividades dinâmicas relacionadas no corpo humano é um processo complicado, que inclui mecanismos farmacocinéticos e farmacodinâmicos, que ainda não foram totalmente estudados.

Durante a anestesia geral, o anestesiologista precisa monitorar as funções vitais do paciente e manter as funções dos órgãos vitais. Para obter a anestesia, as substâncias são introduzidas de diferentes maneiras no corpo do paciente. Na prática clínica, os métodos mais comumente usados ​​são a indução intravenosa de um agente anestésico, ou seja, a injeção do anestésico na veia, e a indução inalatória da anestesia, em que o paciente inala a substância da mistura respiratória. A anestesia intravenosa total (TIVA) é uma técnica anestésica, na qual substâncias são injetadas por via intravenosa.

O anestesiologista precisa ajustar a dosagem do anestésico para manter a profundidade adequada da anestesia geral de acordo com a farmacocinética e a farmacodinâmica do agente anestésico e considerando o tipo de procedimento. A profundidade inadequada da anestesia se manifesta com a ativação dos nervos simpáticos ou, no caso mais improvável, com o despertar do paciente. A anestesia muito profunda se manifesta com uma queda no nível de pressão arterial e frequência cardíaca, bem como lento despertar pós-operatório do paciente da anestesia geral. Na prática clínica moderna, a profundidade da anestesia é determinada avaliando os sinais clínicos relevantes (íris, sudorese, movimentos), interpretando as medições hemodinâmicas e estimando a profundidade da anestesia a partir de sinais de EEG, para os quais já existem vários sistemas de medição estabelecidos, por ex. Índice BIS, Narcotendência, Entropia de Escala, Entropia de Resposta, Índice de Estado Cerebral, Analisador de Estado do Paciente, Índice de Similaridade, Índice de Estresse Cirúrgico, Potencial Evocado Auditivo, Índice de Estado do Paciente (PSi). A medição do índice BIS é um método não invasivo, no qual um monitor BIS é conectado a eletrodos na cabeça do paciente. Ao medir os sinais de EEG, o índice bispectral é definido, representando a profundidade da anestesia. O monitor BIS fornece um único número adimensional, que varia de 0 (equivalente ao silêncio do EEG) a 100. Um valor de BIS entre 40 e 60 indica um nível apropriado para anestesia geral, enquanto para sedação de longo prazo devido a lesões na cabeça, um valor abaixo de 40 é apropriado. A referência pode assim ser definida para o valor aplicável; a forma e a velocidade de aproximação do valor de referência dependem das características específicas do procedimento e da farmacocinética e farmacodinâmica da substância no organismo do paciente. Um novo método de medição da profundidade da anestesia muito promissor baseado em sinais de EEG é o Índice de Estado do Paciente (PSi). O sensor frontal coleta os dados de EEG do paciente do lobo frontal em ambos os lados do cérebro, o que é uma vantagem do método PSi. O sistema de medição PSi possui um mecanismo de processamento de sinal aprimorado, que fornece o cálculo PSi com um atraso mínimo. O índice calculado representa uma variável baseada em EEG processada relacionada ao efeito dos agentes anestésicos. Para anestesia geral, um valor de PSi entre 25 e 50 é considerado adequado.

Objetivo da pesquisa proposta com ênfase particular na originalidade da pesquisa proposta e seu impacto potencial para o desenvolvimento de novas direções de pesquisa

O anestesiologista ajusta a injeção de agentes anestésicos intravenosos de acordo com a profundidade da anestesia. O sistema de circuito fechado para administração de agente anestésico intravenoso permitirá reação imediata e ajuste do fluxo anestésico intravenoso. Neste projeto, os pesquisadores se concentrarão no controle de fluxo em circuito fechado na administração intravenosa de propofol. A indução de propofol afeta o índice EEG e um controlador adequado ajusta a bomba de infusão para que o índice EEG siga o mais próximo possível a trajetória prescrita pelo anestesiologista.

O projeto de pesquisa proposto está dividido em duas partes:

• o desenvolvimento de um modelo matemático que descreve o impacto da administração do agente anestésico na profundidade da anestesia (índice EEG);
• o desenvolvimento de um sistema de controle de circuito fechado para a profundidade da anestesia.

A primeira fase começará com a modelagem da dinâmica de administração do agente anestésico impactando a profundidade anestésica. As vantagens de se desenvolver um modelo matemático dinâmico são: melhor compreensão do processo e sua dinâmica; o modelo apresenta a base para o desenvolvimento de um simulador e para a execução de experimentos de simulação que são úteis na fase de projeto do sistema de controle em malha fechada; o modelo matemático dinâmico pode ser empregado no algoritmo de controle, especialmente para abordagens de controle preditivo.

A entrada do controlador é representada por dois sinais: o valor de referência do índice EEG e o valor real do índice EEG. O controlador usa esses dois sinais para calcular o sinal de entrada adequado da bomba de infusão, que administra propofol com um fluxo definido pelo controlador. Uma vez que o propofol é administrado no corpo, seu nível no sangue aumenta e, conseqüentemente, a concentração no local de efeito, ou seja, o sistema nervoso central, também aumenta. A alteração da concentração de propofol é um processo dinâmico, que depende do sistema farmacocinético do paciente. O nível de concentração de propofol no local de efeito representa a entrada do sistema farmacodinâmico, descrevendo a profundidade da anestesia, que pode ser tratada como a saída do sistema farmacodinâmico. A profundidade da anestesia afeta as ondas cerebrais, medidas por eletrodos para medir sinais de EEG. O monitor EEG mede os sinais e usa essas medições para estabelecer o índice EEG. A indução de outros agentes anestésicos (p. analgésico remifentanil), que também afeta parcialmente o índice EEG, é considerado um distúrbio.

A originalidade dos resultados esperados

Neste projeto, a profundidade da anestesia será tratada sob 3 perspectivas: modelagem, simulação e controle.

O problema de modelar o efeito do propofol é descrito na literatura de várias maneiras. Modelos farmacocinéticos e farmacodinâmicos, como Marsh, Schneider, Kataria, Schüttler, White-Kenny, foram desenvolvidos para tais propósitos. Os modelos normalmente definem a estrutura básica do sistema operacional dinâmico do propofol e os parâmetros dependem de cada paciente. Os valores dos parâmetros do modelo são afetados pelo paciente e suas características (peso, altura, idade, sexo etc.), bem como pela sensibilidade individual ao propofol e pela capacidade de excretar propofol.

Um modelo matemático de propofol afetando a dinâmica da profundidade da anestesia será desenvolvido com base nos modelos existentes na literatura. Os investigadores irão desenvolver o modelo usando abordagens clássicas de modelação, tais como equações diferenciais com representações no domínio de Laplace e no espaço de estados, bem como abordagens avançadas: a dinâmica não linear será tratada usando lógica fuzzy, nomeadamente modelos Takagi-Sugeno. Um modelo dinâmico adequadamente validado para a atividade do propofol será a base para o desenvolvimento de um simulador que auxilie o anestesiologista no estudo seguro de procedimentos anestesiológicos. Isso simplificará o entendimento do mecanismo operacional do propofol e permitirá o teste de diferentes cenários de administração de propofol.

Vários modelos farmacocinéticos desenvolvidos são utilizados em determinadas bombas de infusão para infusão alvo controlada (TCI), onde a bomba define o fluxo adequado do medicamento em relação ao modelo. O problema com esses modelos é que muitas vezes eles não refletem a dinâmica real, que também depende da sensibilidade individual dos pacientes à substância; portanto, essas abordagens, baseadas na indução em malha aberta, muitas vezes não fornecem o melhor desempenho.

O algoritmo para controle em malha fechada da profundidade anestésica será baseado no controle 2-DOF, o que significa que pode ser funcionalmente dividido em duas partes: o feedforward e o feedback. Portanto, o algoritmo mescla as vantagens do controle em malha aberta e em malha fechada. A parte feedforward usará o modelo de propofol para calcular o fluxo de acordo com a trajetória de referência do índice EEG. Por outro lado, a parte de feedback fornecerá as correções de fluxo apropriadas com base nas medições do índice EEG. A vantagem da abordagem proposta é que a parte feedforward do algoritmo de controle pode trazer o valor real do índice EEG próximo à trajetória de referência, enquanto a parte feedback compensa o erro de controle, que ocorre devido a modelagem imprecisa, ruído e eventuais distúrbios no sistema real, como por exemplo a indução de remifentanil.

O algoritmo de controle será baseado no modelo dinâmico desenvolvido de propofol que será usado para prever a profundidade da anestesia. Pela adaptação online dos parâmetros do modelo dinâmico interno, o algoritmo irá considerar a resposta individual do paciente ao propofol, estimada a partir das medidas durante o procedimento.

métodos de trabalho

O trabalho do projeto começará com estudos de modelagem e simulação dos efeitos do propofol. O procedimento de modelagem envolverá abordagens teóricas e experimentais. No âmbito da modelação teórica, os investigadores utilizarão os conhecimentos sobre os mecanismos farmacocinéticos e farmacodinâmicos, enquanto a abordagem experimental complementará a teórica utilizando as medidas adequadas para identificar a estrutura e os parâmetros do modelo. A modelagem matemática de sistemas complexos é um procedimento iterativo, exigindo verificação e validação do modelo desenvolvido em cada etapa consecutiva. A qualidade dos dados, obtidos a partir de experimentos adequadamente planejados, é de extrema importância. Os sinais medidos devem ser devidamente sincronizados, adequadamente filtrados, amostrados e segmentos informacionalmente adequados devem ser selecionados para identificação.

O modelo desenvolvido será testado no ambiente Matlab-Simulink. O ambiente de simulação virtual permitirá vários experimentos para validação do comportamento do modelo e comparação com a dinâmica medida da profundidade da anestesia. Os investigadores desenvolverão uma interface de usuário que facilitará a condução de experimentos de simulação. O sistema desenvolvido para controle de profundidade de anestesia em malha fechada será testado pela primeira vez em um ambiente virtual. Finalmente, os investigadores também irão testá-lo - sob supervisão anestesiológica - na prática clínica.

O protocolo anestesiológico com descrições detalhadas do curso da operação e indução de agentes específicos é descrito no pedido que está sendo considerado no Comitê Nacional de Ética Médica da Eslovênia. Devido a restrições de espaço, os detalhes acima mencionados não são mencionados aqui.

Relevância e impacto potencial dos resultados

Apesar das vantagens óbvias do controle em malha fechada da profundidade anestésica, tais abordagens ainda não são utilizadas na prática clínica. Assim, o principal resultado deste projeto será o desenvolvimento e o estudo do potencial de implementação de um sistema de controle de profundidade de anestesia em malha fechada, baseado em medições de índice EEG. Na primeira parte do projeto, os investigadores desenvolverão um modelo dinâmico que lida com os efeitos dos agentes anestésicos na profundidade da anestesia, enquanto a segunda parte será dedicada ao desenvolvimento de um sistema de controle de profundidade da anestesia em malha fechada. O modelo desenvolvido será validado comparando suas saídas com as medições de processos dinâmicos em pacientes reais. Finalmente, o desempenho do sistema de controle em malha fechada será avaliado na prática clínica.

Esperamos que, usando o conceito proposto de controle de profundidade da anestesia em circuito fechado, que é medido pelo índice EEG e controlado pela administração de propofol, seja alcançado um curso melhor de anestesia profunda do que na operação manual. O sistema de controle evitará superações excessivas da trajetória do índice EEG, reagirá instantaneamente a comportamentos dinâmicos inesperados, compensará distúrbios de forma eficaz e considerará a priori propriedades farmacocinéticas e farmacodinâmicas desconhecidas de um determinado paciente. Por outro lado, o anestesiologista será notificado apenas em casos de valor imprevisto do índice EEG ou fluxo de propofol fora dos limites prescritos. Desta forma, o anestesiologista poderá dedicar sua atenção a outros aspectos críticos da anestesia. Embora o anestesiologista não precise monitorar continuamente o valor do índice EEG, o sistema automático diminuirá o desvio da profundidade da anestesia do valor desejado. O melhor rastreamento da trajetória de referência certamente será benéfico para os pacientes, pois diminuirá a possibilidade de ficarem acordados durante o procedimento e ao mesmo tempo evitará administração excessiva de propofol, o que facilitará a recuperação pós-operatória e os eventos adversos do propofol. Também diminuirá a quantidade de propofol usada durante o procedimento.

Realizações socioeconômicas ou culturalmente relevantes excepcionais do líder do projeto

O principal campo de pesquisa do líder do projeto Assist. Prof. Dr. Gorazd Karer são modelagem, simulação e controle de sistemas dinâmicos. Desde sua defesa de doutorado em 2009, ele tem trabalhado intensamente especialmente em abordagens avançadas para modelagem matemática e controle de processos dinâmicos. É autor ou co-autor de 16 artigos científicos, 28 comunicações em conferências, 1 monografia científica, 1 capítulo de monografia científica, 1 dicionário terminológico, 3 estudos e orientador de 14 teses de licenciatura defendidas com êxito.

Ele está envolvido em vários cursos na área de modelagem, teoria de sistemas e controle automático na Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade de Ljubljana. Os cursos de Sistemas de Controle Automático e Controle Automático são os cursos básicos do programa de estudos de Engenharia de Controle. Os cursos Instrumentação de Sistemas de Controle e Instrumentação de Tecnologia de Controle tratam de aspectos tecnológicos e sensores. Os cursos de Modelagem e Processamento de Sinais e Métodos de Modelagem tratam da modelagem de sistemas dinâmicos. As abordagens deste último serão úteis especialmente para a primeira etapa do projeto de pesquisa.

Em 2013, ele publicou uma monografia científica com a Springer Verlag intitulada Predictive Approaches to Control of Complex Systems com seu co-autor Prof. Dr. Igor Škrjanc. A monografia foi bem aceita na comunidade científica, pois foi baixada em formato eletrônico mais de 11.000 vezes desde que foi disponibilizada online na Springer. A monografia trata de algoritmos de controle avançado para sistemas com dinâmica complexa, que também incluem os processos dinâmicos durante a anestesia. Portanto, as abordagens descritas na monografia representam uma excelente base para o desenvolvimento de um sistema de controle em malha fechada da profundidade da anestesia proposto neste projeto.

Ele foi o iniciador e um dos autores do Dicionário de controle automático, sistemas e robótica, publicado em 2014. Na fase de preparação, a Seção Terminológica do Instituto Fran Ramovš da Língua Eslovena no Centro de Pesquisa da Academia Eslovena de Ciências e Artes (ZRC SAZU) esteve envolvida. Durante o projeto, ele trabalhou intensamente nas definições terminológicas de conceitos de seu campo de pesquisa. Tal experiência terminológica facilita a comunicação em equipes interdisciplinares, principalmente com colegas de trabalho que não estão familiarizados com o campo do controle automático. Portanto, também beneficiará a cooperação com o anestesiologista envolvido no projeto proposto.

Foi secretário da Sociedade de Controle Automático da Eslovênia de 2010 a 2014 e é membro do Comitê Executivo desde 2014. Os contatos dentro da sociedade permitem conexões com os especialistas que trabalham na área de controle automático tanto na academia quanto na indústria, o que fornece uma boa visão geral do estado do controle automático na Eslovênia.

Esteve envolvido no Centro de Competência para Tecnologias de Controle Avançado, onde foi desenvolvida uma abordagem de controle baseada em indicadores-chave de desempenho (KPI) e identificação dinâmica de modelos. A abordagem está conceitualmente relacionada ao sistema de controle de circuito fechado proposto para a profundidade da anestesia. Os métodos de aquisição de conhecimento da história do KPI também serão úteis para o desenvolvimento do sistema de controle proposto, claro, considerando as particularidades relacionadas à anestesia e envolvendo o conhecimento dos anestesiologistas colaboradores.

Estrutura organizacional e viabilidade do projeto

O projeto será realizado em colaboração com um grupo de pesquisa do Departamento de Anestesiologia e Terapia Intensiva Cirúrgica (KOAIT) do University Medical Center (UKC) Ljubljana, liderado por Boris Počkar. O grupo é formado por anestesiologistas que têm acesso aos equipamentos necessários para que os resultados teóricos do projeto e os estudos de simulação sejam validados clinicamente. A parte clínica da pesquisa será realizada no Departamento de Oftalmologia UKC Ljubljana para cirurgias vitrorretinianas, no Departamento de Neurocirurgia UKC Ljubljana para pacientes submetidos a cirurgia devido a processos expansivos na cabeça e na Unidade de Terapia Intensiva KOAIT UKC Ljubljana para pacientes necessitando de sedação prolongada devido a lesões na cabeça. Para estabelecer as concentrações plasmáticas de agentes anestésicos, os investigadores irão cooperar com o Instituto de Química Clínica e Bioquímica UKC Ljubljana. As primeiras medições serão realizadas após a obtenção da aprovação do Comitê Nacional de Ética Médica da Eslovênia.