基于小波变换的方法来确定预防意识在全身麻醉麻醉深度

文摘

意识在全身麻醉的严重的心理影响对麻醉病人和一些法理学的问题在过去几十年一直是一个重要挑战。监测麻醉深度是一个根本的解决这个问题。麻醉诱导的改变频率和振幅的意思是脑电图(EEG),及其相耦合。我们分析脑电图变化相三角洲和阿尔法部分波段之间的耦合使用全身麻醉深度测量的新算法基于复小波变换(CWT)由异丙酚麻醉的病人。熵和直方图计算调制信号通过双频谱指数(BIS)值作为参考。使用Mann-Whitney熵对应不同的BIS间隔测试表明,他们有不同的连续分布。结果表明,有一个阶段3和4之间的耦合赫兹在三角洲和8赫兹阿尔法部分波段和这些变化显示更好的渠道脑电图。此外,当BIS值增加,调制信号的熵值也增加,反之亦然。此外,测量相三角洲和αEEG信号的部分波段之间的耦合通过连续CWT分析揭示了麻醉深度的水平。因此,麻醉期间的意识是可以预防的。

1。介绍

麻醉期间的意识可能是世界上最无助的和恐怖的感觉。它发生在一个被认为是完全完整的全身麻醉下睡着了,但大脑不是睡着了。这是一个严重的后果与潜在的长期的心理创伤后应激障碍等结果,重复的噩梦,焦虑,易怒1]。

例意识代表之间的2% (ASA关闭索赔分析)和2.2%(英国数据)对麻醉医师的要求。在美国,这种情况下的平均支付81000美元虽然最近,已经有几个更大的索赔案件已经得到解决(2,3]。

监测麻醉深度(DOA)是麻醉的基本任务之一。准确评价DOA有助于精确药物运送病人,从而防止意识或过度的麻醉深度和改善患者的结果(4,5]。

有许多方法和设备来评估DOA基于临床症状或大脑电活动的监控。根据研究,确定基于脑电图(EEG)的DOA参数可以包含更多的信息比仅仅基于简单的生命体征,因为中枢神经系统(CNS)一般麻醉药物的最终目标(6]。

到目前为止大多数脑电图分析方法来确定DOA是基于傅里叶和短时傅里叶变换的信号处理方法,在这些方法的信号假设静止和持续,而EEG信号的非平稳。为了解决这个问题,我们提出使用Morlet连续复小波变换。此外,它有助于发现隐藏的频率信号中的信息,使3 d表示信号的振幅,频率和时间。

一些商用DOA基于脑电图监测工作是双谱(BIS), Narcotrend,熵和听觉诱发电位监测。这些设备仍不完全准确和警觉性病例报道即使他们(7,8]。

BIS监测,这是一个商业设备,集成了几个不同的脑电图为单个变量的描述符叫做BIS指数。这些描述符爆炸抑制率,β系数,高阶谱subparameters SynchFastSlow。代表功率谱和代表双频谱。获得这些参数,要求脑电图分析了时间,频率,分别和双谱域(9]。

BIS监测作为标准设备用于全身麻醉监测,因为它的存在了二十多年临床实践;尽管它并不意味着BIS监测优于他人。

在过去的十年中,它已经表明,国际清算银行有一些局限性的高度依赖麻醉药物的类型。BIS的另一个缺点是,报道指数每10秒后决定,可能长在至关重要的情况下。此外,BIS值穿过在痛苦的手术麻醉水平重复定义。换句话说,国际清算银行遭受重大缺乏鲁棒性、灵敏度和特异性10,11]。因此,构建一个理想的DOA监控的问题依然没有解决。这就是为什么我们做了研究。

EEG信号的签名的神经活动。它们反映了突触活动的结合产生的兴奋和抑制性突触后电位皮质神经元。全身麻醉的转变从清醒状态(GA)有关大脑的自发脑电活动的相当大的变化(12]。

大多数麻醉剂毒品大部分挥发性和异丙酚静脉注射催眠和变量导致剂量依赖性降低剂量的巴比妥酸盐脑电图频率和振幅的增加。低剂量主要激活β在阿尔法乐队和脑电图平均功率降低乐队。通过增加剂量的麻醉剂和深化深度麻醉,信号的平均频率降低及其振幅增加然后θ或δ()波出现。换句话说,通过加深麻醉,脑电图消失之前变得更定期到一个很深的麻醉等电活动。最后低压高频感知模式的脑电图改变慢波睡眠脑电图的深度睡眠,然后一个脑电图burst-suppression模式。在中度到深麻醉状态,脑电图是受全球一致的慢波活动在三角洲地区的频率范围(13- - - - - -15]。最后可以说全麻药块意识通过抑制中枢神经系统减少25 - 50 Hz乐队(上和乐队)和增加慢波(和乐队)。

头有小幅度的脑电波记录约100μ诉这些脑电波的频率范围从0.5到100赫兹,和他们的特点是高度依赖于大脑皮层的活动程度(15]。在正常的人多数情况下,脑电波会组织为以下类(16]。(1)δ波包括脑电图波低于3.5赫兹。他们出现在深睡眠或昏迷,在童年,和严重的大脑生理疾病。(2)θ波频率4和7赫兹之间。这些波主要出现在儿童,但他们在一些成年人也发生在情绪压力。这些波在顶叶区域记录。(3)阿尔法波发生在8和13赫兹之间的频率范围,这是在所有正常的人当他们的大脑清醒在一个安静和休息状态。他们通常记录在枕骨区域。(4)β波振幅较低和高频率范围,13 - 30 Hz。他们是受大脑活动和可以从额叶和顶叶区域被记录。

头皮脑电图显示,三角洲乐队可能包括不同类型的活动。Benoit等人提出了不同的慢速和快速三角洲组件与α和β频段使用头皮脑电图功率谱在非快速眼动睡眠期(17]。他们选择0.7 - 2赫兹间隔为缓慢的三角洲和2 - 4赫兹间隔三角洲一样快。

Steriade和Amzica18]和Steriade [19]通过研究神经活动显示,缓慢振荡(< 1 Hz)有能力激活和集群皮质网络发射,这对应于较高频率脑电图活动从三角洲γ(30 - 60 Hz)。

通过计算相耦合是量化调制信号(MS)之间和部分波段,并通过女士香农熵确定DOA。

Molaee-Ardekani等人表明,相位调制相关的各种三角洲部分波段是非常缓慢的,缓慢的,快,狭窄,累积慢1和累积慢2δα波和麻醉深度有不同的相关性,最后他们暗示一个快速部分波段是最好的选择在各种δ部分波段与大脑活动,及其与DOA(相位差的变化9]。

通过考虑意识及其并发症的发生率约0.2%在美利坚合众国(美国),这种发病率乘以2200万麻醉情况下每年在美国(20.),我们可以找出问题的大小。找到解决这个问题可以是一个伟大的本研究的动机。

在这项研究中,我们开发了一个方法来监测麻醉深度精确和预防意识和尖叫。出于这个原因,我们之间的自发EEG进行调制和乐队分区一样小赫兹评价异丙酚麻醉的深度由新算法基于连续复小波变换为了克服其他监测方法的局限性。

2。方法和材料

2.1。数据记录协议

这个项目是研究机构研究伦理委员会批准6女性患者,26岁- 72岁的患者(平均年龄45.4岁),定于选择性妇科手术。所有患者在ASA I和II(美国麻醉协会的物理状态分类)和自由的神经系统疾病。从所有的病人获得书面知情同意。

为了如期准备病人心理和防止不必要的延迟手术病人准备时期采取脑电图记录开始大约一个小时之前开始的外科手术在术前(试运行)然后自发EEG是300秒。然后病人转移到手术室开始前OP(操作)期脑电图记录步骤中,国际清算银行设备电极连接。期间自发EEG和BIS数据记录在手术过程中病人(Pt)如下:(1)Pt。12(90分钟),(2)Pt。13(140分钟),(3)Pt。14(52分钟),(4)Pt。17(140分钟),(5)Pt。23(175分钟),(6)和Pt。24(105分钟)。

在手术室异丙酚注射30秒后开始诱导期的脑电图记录和持续作为主要麻醉所有专利伴随着Remifentanyl (Ultiva)在手术过程中,溴化Rocuronium (Esmeron)。自发EEG记录是在维护和出现时间的麻醉。每隔10分钟停止麻醉剂和唤醒之前,很长一段录音。第一个和结束操作,自发EEG记录是最长的。

EEG电极蒙太奇10/20标准包括15个频道,分别(Fp1 Fp2, F7、F3、Fz, F4, F8, T7, C3, Cz, C4, T8, P3, Pz、和P4)与电极乳突(引用21]。

平行于脑电图记录,商用麻醉监测(BIS,方面医疗系统)被用作参考。这个设备生成索引0到100之间,其中0是完整皮质沉默和100是完全清醒状态,分别。国际清算银行40到60级据说是适合适当的手术麻醉的状态(7]。

2.2。介绍了方法

我们的目标是找到合适的渠道和方法评估DOA。该算法包括三个主要步骤:预处理、计算调制信号(MS)之间和乐队,香农熵确定DOA的这些步骤适用于所有女士脑电图频道。上述阶段在以下部分中解释更多的细节。

2.2.1。预处理

在这项工作中,我们使用一个前置放大器及其与32通道容量叫大脑地图软件设备。此外,大脑视觉记录设备(脑产品,德国)被用来记录前置放大器的采样频率和调整滤波器参数。它还可以在屏幕上显示实时脑电图数据并保存到硬盘。通过这个项目我们electrode-skin阻抗降低到较低水平录音之前因为呈现高阻抗信号容易受到工件。

记录的原始自发EEG数据来自15个频道是手动清洗的工件不发生(生理),和破坏国际清算银行数据被BIS监测也被删除。记录脑电波了大约100的小振幅μV和包含300赫兹的频率成分。保留有效信息,EEG信号被放大并过滤,减少噪音,使正确的过程和视觉信号。高通滤波器的截止频率小于0.5 Hz被用来消除干扰非常低的频率成分和高频噪声是缓解通过使用低通滤波器的截止频率大约50 - 70赫兹。切口过滤器零频率为50 Hz被用来保证50 Hz电源噪声的抑制。采样频率是摧毁从1000赫兹到100赫兹(22]。

2.2.2。复杂的连续小波变换

连续小波变换(CWT)显示一个信号在不同的尺度结构。反过来,这个尺度结构本质上是瞬时频率,这类提供了一个信号的频率和时间的行为,因此有很大潜力初步研究宽带的工具,不稳定,或其他类型的信号时间光谱特征。

如果是一个精确性函数;也就是说,,然后的类对应于给定的母小波被定义为 在哪里 在这里,小波从母小波计算吗通过膨胀和翻译,和分别是真实的积极的扩张和翻译因素。

传统的小波变换是基于实值小波函数和尺度函数。有一些麻烦与真正的小波振荡等变化方差和混叠。提到的问题的一个解决方案是复杂的小波。在这个研究中,Morlet小波这是一个复杂的小波,它被定义为使用 在哪里带宽参数和吗中心频率。本文所有小波具有相同的带宽,也就是说,一个赫兹,唯一的区别是他们的中心频率。因此,他们有相同的而从一个小波变化到另一个(23- - - - - -27]。

2.2.3。香农熵的计算

从香农的统计力学的角度来看,熵是衡量一个随机变量的不确定性。熵描述不规则性、复杂性和不可预测性的特点一个信号。如果的概率是结果吗,然后是我们将如果结果是多么惊讶吗。自范围从0到1,范围从一个惊喜为0。熵是吃惊的是所有的加权平均的结果。香农熵的使用和平均意外发现一个随机试验的结果

熵最大化时是相同的吗。换句话说,如果直方图或概率密度函数变得均匀,的熵最大化(28]。脑电图记录变化不规则麻醉加深时更多的常规模式。熵的信号已被证明放弃当病人睡着了再增加病人醒来的时候。

脑电图在整个的行为和乐队是不一样的。因此,这些乐队应该划分成更小的部分波段。在这项研究中,提出了一种新的分区方法分离这些乐队。每个乐队都是分为五次能带他们每个人一个赫兹的带宽,带分为部分波段范围0 - 1、1 - 2、2 - 3、3 - 4、4 - 5赫兹乐队被分割成部分波段8 - 9、9 - 11、11 - 12和12 - 13赫兹。绝对的小波子图所示1。然后计算它们之间的调制效果。

女士计算的过程脑电图之间的时代th部分波段的乐队和th部分波段的由两个平行的部分组成。小波的th部分波段的和th部分波段的所示的和,分别。在第一部分中,th预处理时代小波变换分解的th部分波段的作为 然后,绝对的是计算 在哪里和表示信号的实部和虚部,分别。

然后,是小波分解的th部分波段的乐队是 第一部分,年底的绝对值计算和用吗。

在第二部分,首先,是分解小波分解的th部分波段的作为 第二部分,年底的阶段是计算

女士来计算,提出的方法19使用)。范围()分为62不重叠的垃圾箱(大约每本0.1 rad)。的样本本标识相同。最后,每个样本的意思是女士有相同的。在最后一步,香农熵计算[女士29日]。计算熵,62本直方图的计算,然后计算熵女士 在哪里每一本的概率在直方图计算的是哪一个 在哪里的振幅是吗本的直方图。

获得的各种信号中熵的计算数据所示2和3分别为low-BIS和bis走高时代。我们观察到的三个部分波段在1 - 4赫兹和部分波段范围在8赫兹范围来自通道8。

2.3。Mann-WhitneyU测试

比较不同BIS间隔相关的熵,Mann-Whitney测试使用。这是一个非参数检验,可以使用一个未配对的以及。它是用来测试零假设当两个样本来自相同的人口(即。,they have the same median) or, alternatively, whether observations in one sample tend to be larger than observations in the other one. Although it is a nonparametric test, it does assume that the two distributions have similar shapes [30.]。

3所示。结果与讨论

小波分析可以被视为一个泛化的傅里叶分析,引入了时间定位除了频率分解的信号。小波的好处使他们特别适合分析非平稳的信号,如脑电图。在本文中,我们提出一种小波技术,计算静脉麻醉深度指数基于病人的脑电图。小波分析显著地减少了计算复杂度来执行这个任务相比,BIS和其他基于脑电图的方法。同时,它不需要大量的患者或广泛的临床脑电图数据的索引推导。

本研究的目的是找到一个合适的通道中和部分波段有调制作用在所有患者中,然后,熵的行为在这个频道和频率范围进行了分析。结果导出了计算通过女士提出的熵和乐队分区通过复杂Morlet小波测量五个病人的麻醉深度。为了实现这一目标,记录的bis被分成四个不重叠的范围,(20 - 40),(-),(60 - 80)(80 - 100)。我们没有考虑间隔0-20,由于时代的数量的相对BIS属于这个范围内很低。计算平均熵BIS间隔之间的所有管道和所有可能的调节和部分波段。相关的结果的一个病人在图所示4。在每个subfigure,平均熵部分波段和所有部分波段。

为一个特定的一双和部分波段,合适的通道的通道平均熵增加随着BIS范围增加。在这种情况下,我们可以提到之间特定的一双和部分波段,调制效果。为所有可能对看到的,和子在不同的频道,它们之间没有调制效应和熵不随着BIS的增加而增加。合适的渠道之间存在调制效应和所有患者在表提出了部分波段1。在这个表中,术语““意味着所有渠道来在指定的调制效果吗和部分波段。同时,条款“所有”和“所有(大肠)”意味着所有频道和频道除了设置在指定的频率范围,有调制作用。看到,主要存在于低频子带上的调制效果乐队。合适的渠道DOA监控必须在所有的病人。因此,我们观察到频率范围之间的调制效果只有3 - 4赫兹乐队和频率范围8赫兹乐队在通道8对所有的病人。因此,8频道和提到的频率部分波段可用于DOA测量。在本文的其余部分,所有的结果提出了考虑3 - 4赫兹部分波段在三角洲乐队和8赫兹在α乐队部分波段通道8。而Molaee-Ardekani et al。(2009)得出结论,没有一个单独的部分波段与最佳的性能在不同的DOAs (9]。

所有患者的国际清算银行增加时,熵也会增加。熵平均值和标准偏差的3和4赫兹三角洲部分波段之间的调制信号和8和9α部分波段获得的通道8对于不同的BIS范围(例如,)六个病人在图所示5。看到的所有病人的BIS熵的增加而增加。同时,特定的平均熵BIS范围大约是相同的对于不同的病人。标准偏差的最大值为0.34是非常小的。它表明,熵得到复杂Morlet小波变化在不同的BIS间隔较低。很明显,对于高价值的BIS范围,标准偏差小于低价值的国际清算银行。这表明bis走高值变化比较低的时代与时代low-BIS值。

BIS和计算熵的变化在不同时期五个病人是描绘在图6。可以看出熵的变化遵循记录BIS的变化,说明了算法的效率。

我们进行统计检验表明,该方法计算熵的不同的BIS范围是统计独立的和来自不同人群。BIS值从0到100年划分为三个间隔,20 ~ 40岁,41 ~ 60,61 ~ 80,81 ~ 100。对于每一个病人,Mann-Whitney测试了所有可能对相关熵,,,,显著性水平设置为0.05。结果展示在表2。如果值小于显著性水平,零假设被拒绝(这意味着和来自不同的连续分布),否则测试被接受。观察到,在所有情况下除外,零假设被拒绝。此外,获得值远小于0.05,表明测试强烈拒绝零假设,因此相关熵不同的BIS间隔(例如,,,,)有不同的连续分布。

我们还一起合并所有病人的熵,然后进行统计分析。这项研究的结果发表在表的最后一行2。表明,在这种情况下,零假设也强烈反对。所有的发现意味着熵的各种BIS间隔来自不同的分布,显示该方法可以用于衡量麻醉的深度和精度高。

如表所示2基于复杂Morlet连续小波变换,我们的方法有更多的敏感性分析DOA对应不同的BIS值比其他的研究在这个领域。因此,它会导致精确麻醉药品管理,预防意识,麻醉相关风险,提高麻醉的结果。

4所示。结论

在这项研究中,一种新的DOA方法测量提出了基于Morlet复杂的类。三角洲和α乐队被划分为五个1赫兹的带宽部分波段。DOA用熵测量其中女士在不同的频道。结果而言意味着不同的BIS范围表明,3和4赫兹之间女士和8 - 9频道8赫兹部分波段在DOA测量达到最好的结果。Mann-Whitney试验还表明,平均熵在不同BIS间隔有显著差异,显示该方法可以用于衡量麻醉的深度和精度高。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

哈西姆Kalbkhani博士和哈桑Khorsandi承认对他们的合作。

引用

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