CN106902421B - 一种个人化麻醉闭环控制系统 - Google Patents

一种个人化麻醉闭环控制系统 Download PDF

Info

Publication number
CN106902421B
CN106902421B CN201710034314.7A CN201710034314A CN106902421B CN 106902421 B CN106902421 B CN 106902421B CN 201710034314 A CN201710034314 A CN 201710034314A CN 106902421 B CN106902421 B CN 106902421B
Authority
CN
China
Prior art keywords
rpe
control system
closed
loop control
electroencephalogram
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710034314.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106902421A (zh
Inventor
梁振虎
李晓宇
李小俚
李健楠
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JIANGSU APON MEDICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Original Assignee
Yanshan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yanshan University filed Critical Yanshan University
Priority to CN201710034314.7A priority Critical patent/CN106902421B/zh
Publication of CN106902421A publication Critical patent/CN106902421A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106902421B publication Critical patent/CN106902421B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M5/00—Devices for bringing media into the body in a subcutaneous, intra-vascular or intramuscular way; Accessories therefor, e.g. filling or cleaning devices, arm-rests
    • A61M5/178—Syringes
    • A61M5/20—Automatic syringes, e.g. with automatically actuated piston rod, with automatic needle injection, filling automatically
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/369—Electroencephalography [EEG]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/48—Other medical applications
    • A61B5/4821—Determining level or depth of anaesthesia
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M2205/00—General characteristics of the apparatus
    • A61M2205/33—Controlling, regulating or measuring
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M2230/00—Measuring parameters of the user
    • A61M2230/08—Other bio-electrical signals
    • A61M2230/10—Electroencephalographic signals

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Anesthesiology (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Psychiatry (AREA)
  • Psychology (AREA)
  • Infusion, Injection, And Reservoir Apparatuses (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)

Abstract

本发明公开了一种个人化麻醉闭环控制系统，脑电数据采集装置的信号采集端获取脑电数据，之后将采集到的脑电数据传输至脑电信号预处理装置中进行噪声与异常值的去除；之后脑电信号预处理装置将预处理后的脑电数据传送到脑电信号分析装置中；脑电信号分析装置与闭环控制系统相连并对预处理后的数据进行分析，得到期望的麻醉深度指标RPE(Renyi permutation entropy)值，并将RPE值传送到闭环控制系统中；闭环控制系统与注射装置相连并控制其工作，闭环控制系统计算出下一步麻醉剂输注速度，注射装置接收到信号后，注射装置完成麻醉剂输注速度的实时控制。本发明具有实时监测、自动控制、精准度高等优点。

Description

一种个人化麻醉闭环控制系统
技术领域
本发明涉及医用麻醉控制领域，特别是一种个人化的麻醉闭环控制系统。
背景技术
临床手术中，全身麻醉是确保手术顺利实施非常重要的一步。传统的麻醉处理是由麻醉师依据他们自身的经验来确定麻醉剂的注射剂量和给药速度的，但是可能会出现麻醉剂注射过量或者不足的情况，这可能导致严重的并发症，如术中知晓、呕吐、心血管疾病、神经活动异常以及术后认知障碍。
现在的麻醉闭环控制系统病人模型大部分是基于群体药代药效动力学模型而建，但是由于病人间的个体差异，这样的系统会有一定的误差。同时，这些系统大部分采用双频指数(BIS)作为麻醉深度指标值，但是BIS易受到噪声的干扰，会使基准值无法恢复，所以考虑将Renyi熵和香农排序熵结合，将得到的归一化Renyi排序熵(RPE)用于麻醉深度的监测。
经对现有文献的检索发现论文名为FPGA Implementation of Explicit ModelPredictive Control for Closed Loop Control of Depth of Anesthesia，该论文中关于麻醉闭环的部分是采用了四房室的药代药效动力学模型来调节药物的输入，并以BIS作为最主要的麻醉深度指标值，但是没有对病人模型进行参数优化的辨识过程，同时不是个体化的麻醉闭环控制，难以解决病人个体差异的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种对病人麻醉深度进行实时自动监测，并能自动精确控制给药的个人化麻醉闭环控制系统。
为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述系统包括脑电数据采集装置、脑电信号预处理装置、脑电信号分析装置、闭环控制系统及注射装置；脑电数据采集装置的信号采集端获取脑电数据，脑电信号预处理装置将采集到的脑电数据进行噪声与异常值的去除，之后传输至脑电信号分析装置，脑电信号分析装置与闭环控制系统相连并对预处理后的数据进行分析，得到期望的麻醉深度指标RPE(Renyi permutation entropy)值，并将RPE值传送到闭环控制系统中；闭环控制系统与注射装置相连并控制其工作，闭环控制系统计算出下一步麻醉剂输注速度，注射装置接收到信号后，注射装置完成麻醉剂输注速度的实时控制。
进一步的，脑电数据采集装置将采集到的脑电数据传送到预处理装置中，预处理装置进行50HZ的工频噪声、基线漂移和头动噪声的去除，并除去幅值大于200uV异常值和在mean±2SD范围以外的数据点和肌电噪声。
进一步的，所述闭环控制系统由药代药效动力学PKPD(pharmacokinetic—pharmacodynamics)模型和蚁群PID控制器组成；PKPD模型用于计算出当前麻醉深度指标RPE值，其中的药效动力学(PD)模型以RPE作为麻醉深度指标，并用粒子群优化算法对PD模型进行辨识，得到模型参数经过优化后的个人化模型，描述效应室浓度和RPE之间的关系；蚁群PID控制器以当前的RPE值与期望的RPE值之间的误差作为输入，计算出下一步麻醉剂输注速度。
进一步的，所述麻醉深度指标RPE定义如下：
Figure BDA0001211136160000031
式中，pj代表概率分布，a是概率选择系数，m为嵌入维数，m！表示排序模式共有m！种。
进一步的，所述系统的药代药效动力学(PKPD)模型设定初始麻醉剂的输注速度为0mg/min，计算出当前的RPE值；其中，基于RPE指标的PD模型，用粒子群优化算法进行辨识，得到参数经过优化的个人化病人模型，PD模型通过
Figure BDA0001211136160000032
将血药浓度和药物效应联系起来，式中，ke0是药物在中央室与效应室之间药物平衡快慢的参数，xe(t)代表效应室药物浓度，k1e为药物从中央室到效应室的传递速率，x1(t)表示的是中央室的药物浓度；
效应室和RPE指标之间的关系通过如下进行描述：
Figure BDA0001211136160000033
式中，Emax和Emin分别是最大和最小的RPE值，EC50为得到最大RPE值的50％时所对应的麻醉药物的浓度，γ是效应室浓度和RPE之间关系曲线的斜率，xe(t)代表的是效应室浓度。
与现有技术相比，本发明系统具有如下优点：
1、可根据不同病人的年龄、体重、身高、性别等基本信息，计算出麻醉深度指标值和麻醉剂的输注速度，对病人麻醉深度进行实时的自动监测与精确的控制给药。
2、采用RPE作为麻醉深度指标值，并且对PD模型的参数进行了辨识优化，比传统的麻醉方式更加安全，并能大大减轻麻醉师的工作负担。
附图说明
图1是本发明的系统结构图。
图2是本发明的ACO-PID闭环控制结果图。
附图标号：1-病人、2-脑电数据采集装置、3-脑电信号预处理装置、4-脑电信号分析装置、5-闭环控制系统、6-药代药效动力学模型、7-蚁群PID控制器、8-注射装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明所述系统由病人1、脑电数据采集装置2、脑电信号预处理装置3、脑电信号分析装置4、闭环控制系统5及注射装置8组成；脑电数据采集装置的信号采集端获取脑电数据，并将脑电数据传输到脑电信号预处理装置中进行50HZ的工频噪声、基线漂移和头动噪声的去除，并除去幅值大于200uV异常值和在mean±2SD范围以外的数据点和肌电噪声，之后脑电信号预处理装置将预处理后的脑电数据传送到脑电信号分析装置中；
脑电信号分析装置与闭环控制系统相连并对预处理后的数据进行分析，得到期望的麻醉深度指标RPE(Renyi permutation entropy)值，并将RPE值传送到闭环控制系统中；所述麻醉深度指标RPE定义如下：
Figure BDA0001211136160000041
式中，pj为概率分布，a是概率选择系数，m为嵌入维数，m！表示排序模式共有m！种。
闭环控制系统与注射装置相连并控制其工作，所述闭环控制系统由药代药效动力学PKPD(pharmacokinetic—pharmacodynamics)模型和蚁群PID控制器组成；PKPD模型用于计算出当前麻醉深度指标RPE值，其中的药效动力学(PD)模型以RPE作为麻醉深度指标，并用粒子群优化算法对PD模型进行辨识，得到模型参数经过优化后的个人化模型，描述效应室浓度和RPE之间的关系；蚁群PID控制器以当前的RPE值与期望的RPE值之间的误差作为输入，计算出下一步麻醉剂输注速度。注射装置接收到信号后，注射装置完成麻醉剂输注速度的实时控制。
其中，药代药效动力学(PKPD)模型设定初始麻醉剂的输注速度为0mg/min，计算出当前的RPE值；基于RPE指标的PD模型，用粒子群优化算法进行辨识，得到参数经过优化的个人化病人模型，PD模型通过
Figure BDA0001211136160000051
将血药浓度和药物效应联系起来，式中，ke0是药物在中央室与效应室之间药物平衡快慢的参数，xe(t)代表效应室药物浓度，k1e为药物从中央室到效应室的传递速率，x1(t)表示的是中央室的药物浓度；
效应室和RPE指标之间的关系通过如下进行描述：
Figure BDA0001211136160000052
式中，Emax和Emin分别是最大和最小的RPE值，EC50为得到最大RPE值的50％时所对应的麻醉药物的浓度，γ是效应室浓度和RPE之间关系曲线的斜率，xe(t)代表的是效应室浓度。
如图2所示的本发明的ACO-PID闭环控制结果，图2(A)表示了八个病人采用本系统得到的的麻醉深度控制结果，其中，实线是目标RPE曲线，不同的虚线为实际测得的不同病人的RPE曲线，图2(B)表示了采用本系统得到的自动调节的丙泊酚输注速度的曲线。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种个人化麻醉闭环控制系统，其特征在于：所述系统包括脑电数据采集装置、脑电信号预处理装置、脑电信号分析装置、闭环控制系统及注射装置；脑电数据采集装置的信号采集端获取脑电数据并传入脑电信号预处理装置，脑电信号预处理装置将采集到的脑电数据进行噪声与异常值的去除，之后传输至脑电信号分析装置，脑电信号分析装置与闭环控制系统相连并对预处理后的数据进行分析，得到期望的麻醉深度指标RPE(Renyipermutation entropy)值，并将RPE值传送到闭环控制系统中；闭环控制系统与注射装置相连并控制其工作，闭环控制系统计算出下一步麻醉剂输注速度，注射装置接收到信号后，注射装置完成麻醉剂输注速度的实时控制；
所述闭环控制系统由药代药效动力学PKPD(pharmaco kinetic—pharmaco dynamics)模型和蚁群PID控制器组成；PKPD模型用于计算出当前麻醉深度指标RPE值，其中的药效动力学(PD)模型以RPE作为麻醉深度指标，并用粒子群优化算法对PD模型进行辨识，得到模型参数经过优化后的个人化模型，描述效应室药物浓度和RPE之间的关系；蚁群PID控制器以当前的RPE值与期望的RPE值之间的误差作为输入，计算出下一步麻醉剂输注速度；
所述系统的药代药效动力学(PKPD)模型设定初始麻醉剂的输注速度为0mg/min，计算出当前的RPE值；其中，基于RPE指标的PD模型，用粒子群优化算法进行辨识，得到参数经过优化的个人化病人模型，PD模型通过
Figure FDA0002135956620000011
将血药浓度和药物效应联系起来；
式中，ke0是药物在中央室与效应室之间药物平衡快慢的参数，xe(t)代表效应室药物浓度，k1e为药物从中央室到效应室的传递速率，x1(t)表示的是中央室的药物浓度；
效应室和RPE指标之间的关系通过如下进行描述：
Figure FDA0002135956620000021
式中，Emax和Emin分别是最大和最小的RPE值，EC50为得到最大RPE值的50％时所对应的麻醉药物的浓度，γ是效应室浓度和RPE之间关系曲线的斜率，xe(t)代表的是效应室浓度。
2.根据权利要求1所述的一种个人化麻醉闭环控制系统，其特征在于：脑电数据采集装置将采集到的脑电数据传送到预处理装置中，进行50Hz的工频噪声、基线漂移和头动噪声的去除，并除去幅值大于200μV异常值和在mean±2SD范围以外的数据点和肌电噪声。
3.根据权利要求1所述的一种个人化麻醉闭环控制系统，其特征在于：所述麻醉深度指标RPE定义如下：
Figure FDA0002135956620000022
式中，pj为概率分布，a是概率选择系数，m为嵌入维数，m！表示排序模式共有m！种。
CN201710034314.7A 2017-01-17 2017-01-17 一种个人化麻醉闭环控制系统 Active CN106902421B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710034314.7A CN106902421B (zh) 2017-01-17 2017-01-17 一种个人化麻醉闭环控制系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710034314.7A CN106902421B (zh) 2017-01-17 2017-01-17 一种个人化麻醉闭环控制系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106902421A CN106902421A (zh) 2017-06-30
CN106902421B true CN106902421B (zh) 2020-03-31

Family

ID=59207072

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710034314.7A Active CN106902421B (zh) 2017-01-17 2017-01-17 一种个人化麻醉闭环控制系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106902421B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108325020B (zh) * 2018-03-09 2021-01-08 燕山大学 一种静脉麻醉多参数指标闭环监控系统
CN109645989B (zh) * 2018-12-10 2021-01-08 燕山大学 一种麻醉深度估计系统
CN111508581A (zh) * 2020-04-23 2020-08-07 张琦 一种医院麻醉治疗管理系统
CN112870480B (zh) * 2021-01-22 2021-12-14 燕山大学 模糊控制远程控制麻醉药物输液泵系统
CN113440690A (zh) * 2021-08-03 2021-09-28 复旦大学 基于肌电信号反馈的智能定量给药电针注射设备

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9044542B2 (en) * 2007-12-21 2015-06-02 Carticept Medical, Inc. Imaging-guided anesthesia injection systems and methods
CN101862491B (zh) * 2010-05-27 2013-01-02 善德仕医疗科技（北京）有限公司 无痛自动麻醉装置
US9190966B2 (en) * 2012-05-22 2015-11-17 Stryker Corporation Impedance bootstrap circuit for an interface of a monitoring device
CN202875952U (zh) * 2012-10-25 2013-04-17 广州军区广州总医院 一种右美托咪定药效闭环反馈靶控输注装置
CN103432651B (zh) * 2012-12-31 2016-01-20 南京理工大学 一种闭环的智能麻醉控制系统
EP2983763B1 (en) * 2013-04-10 2017-05-24 Sanofi Drive mechanism for a drug delivery device
KR20140142084A (ko) * 2013-06-03 2014-12-11 주식회사 메가젠임플란트 약물 주입 장치
CN103735261B (zh) * 2013-12-05 2016-08-24 北京思路高医疗科技有限公司 脑电监测镇静深度闭环控制注射泵装置
CN104753417B (zh) * 2013-12-26 2019-02-22 北京谊安医疗系统股份有限公司 用于麻醉机的无刷直流电机的控制装置和方法
CN107530185A (zh) * 2015-03-26 2018-01-02 密执安州立大学董事会 用于冷冻麻醉和镇痛的施用装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN106902421A (zh) 2017-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106902421B (zh) 一种个人化麻醉闭环控制系统
CN109893709B (zh) 一种基于关键生命体征参数的麻醉深度自动控制系统
US8864702B2 (en) System for controlling means for injection of anesthetics or sedatives
Ching et al. Real-time closed-loop control in a rodent model of medically induced coma using burst suppression
AU2005272123B2 (en) BIS closed loop anesthetic delivery
CN203749411U (zh) 脑电监测镇静深度闭环控制注射泵装置
US10537677B2 (en) System for controlling injectors of anaesthetics or sedatives with a view to inducing anaesthesia or sedation
Atkins et al. Safety and efficacy of drug-induced sleep endoscopy using a probability ramp propofol infusion system in patients with severe obstructive sleep apnea
CN1917915A (zh) 用于治疗睡眠障碍性呼吸的设备的逐时间段调节
JP2013542011A (ja) モデル予測制御を使用する多重定義された生理学的ゾーンの維持連邦により支援された研究に関する陳述本発明は国立衛生研究所により与えられた助成番号ｒｏｉ−ｄｋ０８５６２８−０１の下で政府支援によりなされた。米国政府は本発明において一定の権利を有する。（関連出願の相互参照）本出願は、３５ｕ．ｓ．ｃ．§１１９の下で、２０１０年１０月１２日出願の仮出願第６１／３９２，３９９号の優先権を主張するものであり、この開示は引用により本明細書に組み込まれる。
RU2009113851A (ru) Терапевтическое устройство с основанным на истории событий регулирующим устройством
RU2635182C2 (ru) Разблокирование режима дыхательной терапии
EP0549685A4 (en) Arterial co 2 monitor and closed loop controller
EP2092882A2 (en) Method for improved non-nutritive sucking
WO2014008815A1 (zh) 一种麻醉深度控制装置及方法
CN101579544A (zh) 一种自动调节输液方法及装置
CN104189983A (zh) 一种深度镇静的闭环控制方法和系统
CN109069736A (zh) 用于控制丙泊酚向患者之施用的控制装置
WO2008059289A2 (en) Depth of anaesthesia
CN116747374A (zh) 全凭静脉麻醉靶控智能化系统
AU2020264409B2 (en) Hierarchical Adaptive Closed-Loop Fluid Resuscitation and Cardiovascular Drug Administration System
CN104353154A (zh) 采用丙泊酚和瑞芬太尼的双通道麻醉靶控输注控制方法
CN112870480B (zh) 模糊控制远程控制麻醉药物输液泵系统
CN112535777A (zh) 一种基于cgm的危重患者智能化血糖管理系统
CN113855915A (zh) 一种基于步进电机精确控制滴速的智能输液监控仪控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20210115

Address after: No.716, 7th floor, building 4, No.99 Guangfu Road, Wuhou District, Chengdu, Sichuan 610000

Patentee after: Chengdu yishenrui Technology Co.,Ltd.

Address before: 066004 No. 438 west section of Hebei Avenue, seaport District, Hebei, Qinhuangdao

Patentee before: Yanshan University

Effective date of registration: 20210115

Address after: 226400 east side of Yongtong Avenue, Rudong Economic Development Zone, Nantong City, Jiangsu Province

Patentee after: JIANGSU APON MEDICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Address before: No.716, 7th floor, building 4, No.99 Guangfu Road, Wuhou District, Chengdu, Sichuan 610000

Patentee before: Chengdu yishenrui Technology Co.,Ltd.

TR01 Transfer of patent right