DE19829018B4

DE19829018B4 - Verfahren zur Einstellung einer in seiner Dosisrate gezielt veränderlichen Dosiervorrichtung für ein Narkosemittel und Narkosesystem dazu

Info

Publication number: DE19829018B4
Application number: DE1998129018
Authority: DE
Inventors: Markus Lendl; Hans-Joachim Romeiser
Original assignee: Individual
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2018-07-01
Also published as: DE19829018A1

Abstract

Verfahren zur Einstellung einer in seiner Dosisrate u gezielt veränderlichen Dosiervorrichtung für ein Narkosemittel, das einem Organismus zugeführt werden kann, wobei über einen Regler die Dosisrate u so eingestellt wird, daß ein vorgebbarer Sollwert T_soll der Narkosetiefe schnell erreicht und beliebig lange aufrecht erhalten wird, wobei der Istwert T der Narkosetiefe aufgrund der zugeführten Narkosemittelmenge in an sich bekannter Weise festgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der Dosisrate u über einen modellbasierten Reglertyp unter Verwendung eines neuronalen Netzwerkes erfolgt, wobei als Regelungsstruktur in an sich bekannter Weise eine prädiktive Regelung (MPC), eine Internal Model Control (IMC), eine Model Reference Control (MRC), eine Supervised Control (SC), eine Direct Control (DC) oder eine Indirect Control (IC) verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufrechterhaltung eines vorgebbaren Narkotisierungszustands nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Ansteuerung einer Dosierungseinheit mit dem Merkmalen des Obergriffs des Patentanspruchs 6.
Ein Narkosezustand setzt sich aus drei Säulen zusammen: Dem Niveau des Tiefschlafs (Hypnosezustand), der Schmerzbekämpfung (Analgesiezustand) und der Muskelentspannung (Relaxationszustand). Im folgenden seien diese Säulen als "Narkosetypen" bezeichnet. In der Regel werden Kombinationsnarkosen verwendet, d. h. mehrere Narkosemittel gemeinsam verabreicht, die mehr oder weniger selektiv auf die Narkosetypen wirken.
Der Narkotisierungszustand kann je nach Narkosetyp mehr oder weniger zuverlässig bestimmt werden. Prinzipiell hat man natürlich die allerdings sehr teure Möglichkeit, die Wirkstoffkonzentration am Wirkort zu bestimmen und daraus mittels statischer Daten auf den Effekt zu schließen. Für Massenanwendungen versucht man jedoch gleich einen für den Narkotisierungszustand repräsentativen Effekt zu bestimmen. Das Relaxationsniveau mißt man mit Hilfe der Mechano- oder Elektromyographie (MMG bzw. EMG). Im wesentlichen stimuliert man dazu einen Muskel der Hand durch kurze Stromreize und nimmt die Reaktion des Muskels entweder mechanisch durch Kraftsensoren (MMG) oder elektrisch mittels Oberflächenelektroden (EMG) auf. Ein zum Stand der Technik gehörendes Meßgerät (Relaxations-Narkosemonitor) wertet die Signale aus und liefert nach einer Kalibrierung im nicht-relaxierten Zustand eine Aussage über den Grad der Muskelentspannung als Zahl zwischen 0 und 100 %. Als vorteilhaftes Gerät sei der portable Monitor AS/3 der Fa. Datex, Finnland, zusammen mit dem NMT-Einschubmodul für die Relaxationsmessung genannt, der ein serielle Schnittstelle zum Auslesen der momentanen Werte bereitstellt. Um die Tiefe des Schlafes einzuschätzen, verarbeitet man EEG-Signale des Stirnbereichs. Die Leistung verschiedener spektraler Komponenten (z. B. Verfahren des "Bispectral Index" (BIS), Fa. Aspect) erlaubt eine eher unsichere Aussage über den Hypnosezustand. Das entsprechende Meßgerät nennt man Hypnose-Narkosemonitor.
Zur Bewertung des Schmerzzustandes kann der Anästhesist (noch) nicht auf hochtechnisierte Überwachungsinstrumente zurückgreifen. Er zieht vielmehr Kriterien wie Schwitzen oder Rötung heran.
Narkosemittel werden über die Einatemluft oder intravenös in den Körper des Patienten gebracht und über die Blutbahn verteilt. Bei ersterem Verfahren wird das Mittel mit Hilfe eines Verdunsters, Verdampfers, Zerstäubers oder eines Flowmeters dem Einatemluftstrom zugefügt. Dabei ist eine solche Dosiereinrichtung meist in ein Anästhesiebeatmungsgerät integriert. Bei der intravenösen Medikamentenzufuhr verabreicht man entweder das flüssige Narkosemittel in kurzen (manuellen) Schüben (Boli) oder kontinuierlich mittels einer Infusionspumpe. Als vorteilhaft einsetzbares Gerät sei die Infusionspumpe Graseby 3500 der Fa. Graseby, England, aufgeführt.
Bisweilen überwacht ein Anästhesist den Narkosezustand und paßt die Narkosemitteldosierung manuell den Gegebenheiten an. Er bedient sich dazu durchaus der Ergebnisse, die Narkosemonitore bereitstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein System anzubieten, das automatisch, zudem zügig und mit eingeschränktem Rechenaufwand, den Narkotisierungszustand auf ein vorzugebendes Niveau bringt und ihn dort hält. Die Beweggründe und die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber bekannten Ansätzen werden im folgenden für den Narkosetyp Relaxation beschrieben, da dieser die für die praktische Verifikation notwendige Eigenschaft der einfachen und zuverlässigen Meßbarkeit besitzt. Eine Übertragung auf andere Narkosetypen erfolgt analog.
Vor einiger Zeit wurden kurz-wirksame Relaxanzien entwickelt, die eine besonders kleine Halbwertszeit besitzen. D. h. diese Medikamente werden in kurzer Zeit wieder abgebaut. Damit ist es möglich, die Zeit zwischen dem eigentlichen Ende einer Operation und der Extubation zu verringern, was letztendlich durch die kürzere Verweilzeit des Patienten im Operationssaal wesentlich zur wirtschaftlicheren Nutzung der Räumlichkeiten beiträgt. Doch führt die Verwendung eines solchen kurz-wirksamen Mittels bei der momentan weitverbreiteten manuellen Bolusgabe zu einer enormen Belastung des Anästhesisten, da sich der Narkotisierungszustand durch den schnel len Abbau ständig ändert. Es sei bemerkt, daß die Halbwertszeit der diskutierten Medikamente gegenüber herkömmlichen um den Faktor 20 bis 40 kürzer ist.
Schon in der Vergangenheit wurden Ansätze gemacht, mit Hilfe eines geeigneten Narkosemonitorsignals das Narkoseniveau konstant zu halten. Dazu gehören Verfahren der klassischen Regelung (PID-Regler), regelbasierte Regler (Fuzzy-Regler) und Verfahren, die ein pharmakologisches Modell ausnutzen (Pharmakokinetisches/Pharmakodynamisches (PK/PD) Modell). Die Entwicklung eine neuen Verfahrens wurde notwendig, da die Auslegung des ersten und letzten Verfahrens kostenintensive pharmakologische Untersuchungen für ein neu eingeführtes Medikament notwendig machen und das zweitere Verfahren der veränderten Dynamik des Narkosemittels nicht gewachsen ist, weil der Relaxationsgrad aus physiologischen Gründen nur einige (wenige) Male pro Minute bestimmt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann diese hohen Anforderungen erfüllen. Es beruht auf einem Ansatz der modell-basierten prädiktiven Regelung, der an sich bereits bekannt ist. Als Prädiktor wird jedoch im Gegensatz zu allen früheren Methoden ein (künstliches) neuronales Netzwerk eingesetzt. Dadurch ist es möglich, ein hochgradig nichtlineares Modell mit ausreichender Genauigkeit auszubilden (im Gegensatz zum PK/PD-Modell). Die Grundeinstellung des Modells erfolgt durch ein sogenanntes "Training" basierend auf Daten, die bei früheren Operationen aufgezeichnet wurden. Eine Adaption an den speziellen Patienten kann während der Operation erfolgen (Online-Training). An dieser Stelle sei angemerkt, daß ein Modell, realisiert durch ein neuronales Netzwerk, auch in anderen modell-basierten Regelungsstrukturen Verwendung finden kann. Als Beispiele werden Internal Model Control (IMC), Model Reference Control (MRC), Supervised Control (SC), Direct Control (DC) und Indirect Control (IC) genannt, wie sie in den Literaturstellen [2], [3], [6] und [4] aufgeführt werden.
Einzelheiten der Erfindung werden in folgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Zeichnungsfigur 1 zeigt einen nach dem Prinzip der modellbasierten prädiktiven Regelung (MPC) arbeitenden Regler 1, der einen Speicher 2, eine Zentraleinheit 3, einen Prädiktor 4 und eine Vorverarbeitungseinheit 8 beinhaltet. Über den Regler 1 wird die Dosisrate u der Dosiervorrichtung 5 an den Sollwert der Narkosetiefe T_soll herangeführt. Der Regler 1 erhält vom Überwachungsinstrument 7 Istwerte der Narkostetiefe T, die über die Vorverarbeitungseinheit 8 auf Plausibilität überprüft, gegebenenfalls vorarbeitet und dem Speicher 2 des Reglers 1 zugeführt werden. Der in Anspruch 3 geschilderte Verfahrensablauf läßt sich wie folgt erläutern: Zunächst erhält die Zentraleinheit 3 vom Speicher 2 zum Zeitpunkt n := N:

• die Istwerte bzw. die durch eine Einheit zur Srörungserkennung vorverarbeiteten Werte zurückliegender Narkosetiefen T_n–1, T_n–2, T_n–3 etc.,
• den Momentanwert der Narkosetiefe T_n,
• die Istwerte zurückliegender Dosisraten u_n–1, u_n–2, u_n–3 etc.,
• den Momentanwert der Dosisrate u_n, die im Moment an der Dosiervorrichtung eingestellt ist, zur Übermittlung an den Prädiktor und ferner:
• den momentanen Sollwert der Narkosetiefe T_soll,n und die zukünftigen Sollwerte T_soll,n+1, T_soll,n+2, ...,

Nun erhält der Prädiktor 4 einen Wert û_n+1 einer hypothetischen zukünftigen Dosisrate und ermittelt die zu erwartende Narkosetiefe T ^_n+1, die an die Zentraleinheit 3 und den Speicher 2 übermittelt werden. Die Narkosetiefe T ^_n+1 und die Dosisrate û_n+1 werden als fiktive zurückliegende Istwerte T ^_n+1 und û_n+1 zwischengespeichert.
Nun wiederholen sich die Verfahrenschritte a) bis d) für die Zeitpunkte n + 2, n + 3, n + 4 etc., wobei das Verfahren unterbrochen wird, wenn nach Verfahrensschritt b) eine vorgebbare Anzahl N_H von zu erwartenden Narkosetiefen T ^_n+ν und hypothetischen Dosisraten û_n+ν zwischengespeichert sind.
Nun werden die abgespeicherten zu erwartenden T ^_n+ν und hypothetischen, zukünftigen Dosisraten û_n+ν in einer Gütefunktion F zur Bewertung einer Abweichung von T_soll und der Änderungen der Dosisraten unter eventueller Einbeziehung vergangener und des momentanen Prädiktionsfehlers ausgewertet. Allgemein können Gütefunktionen verwendet werden, deren Terme von der Differenz von T_soll und T, von Änderungen aufeinanderfolgender Werte der Dosisrate u und/oder von vergangenen Prädiktionsfehlern abhängen. Diese Gütefunktion F kann lauten
wobei α ein Gewichtungsfaktor zwischen den beiden Summentermen ist und zu Beginn û_n := u_n gesetzt wird.
Es wird ein konkreter Wert F der Gütefunktion ermittelt. Nun werden die Verfahrensschritte a) bis f) wiederholt, wobei der Prädiktor 4 in Verfahrensschritt b) von Anspruch 3 einen verbesserten Wert û_n+1 erhält. Es ergeben sich neue Werte F der Gütefunktion nach der Auswertung nach Verfahrensschritt g). Der Wert von û_n+1 bleibt konstant oder wird so gewählt, daß sich der Wert F der Gütefunktion verbessert.
Die Wiederholung nach Verfahrensschritt h) von Anspruch 3 wird unterbrochen, wenn nach Verfahrensschritt g) von Anspruch 3 ein Abbruchkriterium nach Verfahrensschritt i) (z. B. der Wert der Gütefunktion F unterschreitet einen Schwellwert F₀, die Änderung ΔF zweier aufeinanderfolgenden Werte der Gütefunktion F unterschreitet einen Schwellwert ΔF₀ und/oder die Verfahrensschritte a) bis h) wurden bereits N_max-mal durchlaufen) erfüllt ist.
Insgesamt besitzt die Gütefunktion nun einen ausreichend optimierten Wert F, so daß nun nach Verfahrensschritt j) von Anspruch 3 die Dosisrate û_n+1 über eine Funktion G, aus den zuletzt abgespeicherten hypothetischen Dosisraten û_n+1, û_n+2, ...,
errechnet werden kann. Als Funktion G kann
aber auch andere geeignete gewichtete Mittelungsverfahren verwendet werden. Die so errechnete Dosisrate û_n+1 wird nun an die Dosiervorrichtung 5 zur Einstellung der dem Lebewesen 6 zugeführten Narkosemittelrate u_n+1 weitergeleitet.
Durch den sich einstellenden Istwert der Narkosestufe T_n+1, der von dem Überwachungsinstrument 7 an den Regler 1 gemeldet wird, kann der Regelungsvorgang nach Anspruch 3 für den Zeitpunkt n := N + 1 wiederholt werden.
Der erfindungsgemäße Verfahrensablauf nach Anspruch 3 ermöglicht eine zügige Einstellung eines vorgegebenen Sollwerts T_soll durch zulässige Vorhersage des Patientenverhaltens mittels Prädiktor 4. Dabei kann der Regler 1 (z. B. durch Training) leicht an eine neue Medikamentengruppe angepaßt werden.
Eine Erweiterung der erfindungsgemäßen Anordnung auf eine gleichzeitige Regelung mehrerer Narkosetypen liegt auf der Hand (Mehrgrößenregelung). Diese hat den Vorteil, daß ein mögliches "Übersprechen" der Narkosemittel für die jeweiligen Typen auf andere Typen berücksicht werden kann. Es sind dazu Meßgeräte des Zustands der jeweiligen Narkosetypen und entsprechende Dosierungseinheiten vorzusehen. Beim Regler ist die Anzahl der Ein- und Ausgänge auf jeweils zwei oder drei zu erhöhen. Das neuronale Netzwerk erhält die vergangenen, momentanen und zukünftigen Werte aller Eingangsgrößen und prädiziert die Werte der Ausgangsgrößen gleichzeitig. Die übrigen Funktionseinheiten sind entsprechend anzupassen.
Der zeitdiskret beschriebene Verfahrensablauf kann auch zeitkontinuierlich stattfinden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und eine mögliche Anordnung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer konkretisierten Ausführungsvariante des Ausführungsbeispiels. In der nachgereichten 2 wird eine modellbasierte Regelungsstruktur dargestellt die unter Verwendung eines Mehrschicht-Perzeptrons, dessen detaillierter Aufbau in 3 angegeben ist, geeignet ist, ein Verfahren nach den Ansprüchen 1–5 umzusetzen.
Da es sich hier um eine zeitdiskrete Realisierung handelt, wird die "Berechnung" eines neuen Dosisratenwerts u₊ (1008) zum Zeitpunkt n := N betrachtet. Das Zeitraster wird durch das Meßintervall des Narkosetiefenmeßgeräts festgelegt.
Der betrachtete Zyklus beginnt mit einer Prüfung des neuen Meßwerts T_n (1002), vom Narkosetiefenmeßgerät bereitgestellt, in der Artifakterkennungseinheit (52) im Block Artefaktbehandlungseinheit (50) durch Vergleich von T_n mit dem im Zwischenspeicher (51) befindlichen Schätzwert T ^_n+1 des letzten Prädiktionsdurchlaufs des Zyklus zu Zeitpunkt N – 1. Überschreitet die Differenz T_n – T ^_n+1 gewisse Grenzen, die maßgeblich vom verwendeten Medikament abhängen ("Wirkungsgeschwindigkeit"), so wird T ^_n+1 über den Schalter (53) als T_korr,n (1003) statt T_n an die SP-Einheit (71) des Narkosetiefenwertespeichers (70) weitergeleitet. Falls mehr als eine festgelegte Anzahl von aufeinanderfolgenden Meßwerten T ersetzt werden, wird über Signal (1004) ein Alarm ausgelöst, da mit einer Störung im Narkosetiefenmeßgerät zu rechnen ist.
Die SP-Einheit (71) (Seriell-Parallel-Einheit) besteht aus einem Schieberegister der Länge 16 und dient als Speicher für den momentanen und die vergangenen 15 Narkosetiefenwerte T_korr,n, T_korr,n–1, ..., T_korr,n–15 die als Vektor T_korr,n (1012) der PS-Einheit (209) und der Recheneinheit R3 (61) im Block Prädiktionsfehlerberechnungseinheit (60) zur Verfügung stehen. Die Länge des Schieberegisters richtet sich nach der Anzahl der (parallelen) Ausgänge.
Eine PS-Einheit (Parallel-Seriell-Einheit) leitet einen der (parallel) anliegenden Werte an den (seriellen) Ausgang weiter. In der diskutierten Anordnung werden die (parallel) anliegenden Werte der Reihe nach abgefragt, so daß den PS-Einheiten stets eine geeignete Zähl- und Dekodierlogik mit eingebaut werden kann.
Die Recheneinheit R3 (61) bildet die Summe aus den Differenzen der sich zeitmäßig entsprechenden Komponenten des Vektors T_korr,n (1012) und dessen Schätzwert, der in der SP-Einheit (62) von früheren Prädiktionen gespeichert ist. Diese Summe (1027) ist somit der Prädiktionsfehler T ^_offset aus den letzten 16 Schätzungen, für die bereits Meßwerte vorhanden sind, und korrigiert im Block Prädiktor (20) den aktuellen Schätzwert T ^_n+1 (1022) mittels der Additionsstelle (202) zu T ^_korr,n+1 (1014).
Für die Schätzung des ersten zukünftigen Narkosetiefenwertes benötigt man die momentanen und vergangenen Werte der Narkosetiefe, die im Vektor T_korr,n (1012) zusammengefaßt sind, und der Dosisrate, die völlig analog mit dem 16 Komponenten umfassenden Vektor u (1009) durch die SP-Einheit (81) des Dosisratenwertespei chers (80) zur Verfügung stehen. Diese bekannten Werte werden nun mittels der PS-Einheiten (211) und (209) sukzessiv über den Schalter (210) in der gezeichneten Stellung in die SP-Einheiten (206) bzw. (207) geladen. Nach diesem Ladeprozeß stehen am Ausgang dieser SP-Einheiten mit den Vektoren (1018) und (1019) die Werte von u (1009) und T_korr,n (1012) zur Weiterverarbeitung in den Mittelungseinheiten (204) und (205) an. Dort werden zur Verminderung der Störanfälligkeit des Prädiktors jeweils 4 aufeinanderfolgende Werte arithmetisch gemittelt und an das neuronale Netzwerk (201), dessen Details in 3 aufgeführt sind, weitergeleitet. Man erhält schließlich am Ausgang des neuronalen Netzwerks einen Schätzwert T ^_n+1 (1022) für den zu erwartenden (tatsächlichen) Narkosezustand des Organismus, dem das Narkosemittel über die Dosiereinrichtung zugeführt wird und dessen Narkosezustand mittels des Narkosetiefenmeßgeräts erfaßt wird, falls gewährleistet ist, daß sich der vorliegende Organismus ähnlich jenen verhält, für welche die Modellbildung, d. h. das Training des neuronalen Netzwerks, durchgeführt wurde. Neben der Rückführung des Prädiktionsfehlers durch die Elemente (60) und (202) bestehen Adaptionsmöglichkeiten an den individuell vorliegenden Organismus nach Anspruch 2, 3 und 4 durch weitere Trainingszyklen während des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 5. Der erste Prädiktionswert T ^_n+1 eines jeden Prädiktionszyklus wird im Zwischenspeicher (51) der Artefaktbehandlungseinheit abgelegt.
Möchte man weitere zukünftige Schätzwerte T ^_n+2, T ^_n+3, ... der Narkosetiefe erzeugen, so werden weitere Prädiktionsschritte benötigt. Dazu legt man den Schalter (210) um und führt über das Verzögerungsglied (208) den soeben ermittelten, aber um den Prädiktionsfehler T ^_offset (1027) korrigierten Schätzwert T ^_korr,n+1 (1015) an die SP-Einheit (207) zurück. Entsprechend muß auch der SP-Einheit (206) ein neuer Ratenwert zugeführt werden. Dieser ist zunächst frei wählbar und wird mit û_n+1 (1010) bezeichnet. Er wird über die PS-Einheit (212) von der Optimierereinheit (30) im Vektor û_n (1006) der zukünftigen Dosisratenwerte zur Verfügung gestellt. Im ersten Iterationsschritt (von i. d. R. mehreren) der Optimierung (zur Berechnung des tatsächlichen Dosisratenwertes u₊ (1008) für den kommenden Zeitpunkt n + 1) wird û_n (1006), und damit auch û_n+1 (1010), mit Startwerten (evtl. zufällig) vorbesetzt.
Verwendet man sämtliche 16 Werte des Vektors û_n (1006), so generiert man in insgesamt 16 Prädiktionsschritten geschätzte Narkosetiefenwerte T ^_n+1, T ^_n+2,... , T ^_n+16, welche um den Prädiktionsfehler T ^_offset (1027) korrigiert in der SP-Einheit (203) zwischengespeichert werden. Nun können die (fiktiven) zukünftigen Dosisratenwerte (1006) dahingehend bewertet werden, wie gut die dadurch bedingten (geschätzten) Narkosetiefenwerte T ^_n+1, T ^_n+2, ..., T ^_n+16 mit dem vorgegebenen Sollwert T_soll (1001) übereinstimmen und des weiteren, wie groß die Änderungen von jeweils aufeinanderfolgenden (fiktiven) Dosisratenwerte sind. Diese Bewertung wird in den Recheneinheiten R1 (41) und R2 (42) innerhalb der Güteberechnungseinheit (40) durchgeführt.
In der vorliegenden beispielhaften Ausführung kann das Ein-/Ausgangsverhalten von R1 (41) mit
und das von R2 (44) mit
beschrieben werden. Die beiden Ausgangswerte (1023) bzw. (1025) werden gegeneinander mit dem Multiplizierer (42) um α gewichtet und zu F (1024) aufaddiert.
Die Optimierereinheit prüft daraufhin ein oder mehrere Abbruchkriterien und teilt der Steuereinheit (10) über das Signal (1005) gegebenfalls mit, daß "optimale" fiktive Dosisratenwerte gefunden wurden und kein neuer Optimierungszyklus erfolgen muß. Andernfalls startet der nächste Optimierungsschritt mit der Berechnung neuer fiktiver Dosisratenwerte û_n (1006) in der Optimierereinheit (3) nach dem bekannten Verfahren nach Powell (beschrieben z. B. in [5]). Es folgt abermals das oben beschriebene Laden der SP-Einheiten (206) und (207) und der erste und weitere 15 Prädiktionsschritte des neuen Optimierungszyklus, die Berechnung des Gütewerts F (1024) und die Entscheidung auf einen weiteren Optimierungsschritt durch die Optimierereinheit (30). Eine vorteilhafte Weiterbildung der Güteberechnungseinheit ermöglicht die Vorgabe zukünftiger Sollwerte der Narkosetiefe T_soll,n+1, T_soll,n+2, etc. Dies ist günstig, wenn man zum jetzigen Zeitpunkt schon weiß, daß der Sollwert demnächst geändert werden soll. Man kann eine derartige Funktion durch Vorschalten einer PS-Einheit vor die Recheneinheit R2 (44) erreichen, so daß sich die
Berechnungsvorschrift für F₂ ändert zu
Falls die Optimierereinheit (30) mittels des Signals (1005) anzeigt, daß eine "optimale" Sequenz von zukünftigen Dosisratenwerte û_n (1006) gefunden wurde, bildet die Mittelungseinheit (91) der Dosisratenberechnungseinheit (90) den arithmetischen Mittelwert u₊ (1008) aus den ersten 4 Komponenten û_n+1 bis û_n+4 (1007) des Vektors û_n (1006), speichert diesen in (92) ab und leitet u₊ (1008) als die neue Dosisrate, die umgehend eingestellt werden soll, an die Dosierungseinheit weiter.
Damit ist das Ansteuersignal für die Dosierungseinheit zum Zeitpunkt n = N ermittelt. Es wird jetzt auf das Eintreffen eines neuen Narkosetiefenwertes des Narkosetiefenmeßgerät gewartet, dann in der diskreten Zeit mit n = N + 1 fortgeschritten und der oben beschriebene Zyklus mit der Prüfung des Narkosetiefenwertes in der Artefaktbehandlungseinheit (50) erneut gestartet.
Die Steuereinheit (10) hat die Aufgabe, die verschiedenen Abläufe in den Einheiten auszulösen und zu kontrollieren. Dies geschieht mittels Takt-, Set- und Reset-Signale über zugehörige Leitungen, die der Übersicht wegen in 2 nicht eingezeichnet sind. Jedoch leiten sich die zeitlichen Zusammenhänge der erforderlichen Signale und damit die benötigten Leitungen direkt aus der obigen Beschreibung des Verfahrens ab.
Die Umsetzung der erfindungsgemäßen Anordnung nach einem der Ansprüche 6–12 erfolgt vorteilhafterweise unter Verwendung einer DV-Anlage, z. B. eines Mikrorechners. Ebenso kann sie mit Mitteln der diskreten Logik und/oder der analogen Elektronik ausgeführt werden.
Bei einer Realisierung auf einer DV-Anlage kann besonders vorteilhaft die Veränderung der Parameter des neuronalen Netzwerks (201), das sog. Training, durchgeführt werden. Dieses erfolgt nach einem Standardverfahren, z. B. dem Backpropagation-Verfahren, wie es in einschlägiger Literatur (z. B. [1]) dargestellt ist. Es werden dazu die Verläufe der Narkosetiefe und der Dosisrate verwendet. Betrachtet man einen zu trainierenden Datensatz, so liegen je 16 Werte u_m, u_m–1, ..., u_m–15, und T_m, T_m–1, ..., T_m–15, an den Mittelungseinheiten (204) und (205) an. Der Wunschausgangswert ist in diesem Fall T_m+1, der bekannt sein muß. Durch geeignete Variation von m entstehen aus einem aufgezeichneten Verlauf von u und T viele Trainingsdatensätze.
Literatur

[1] R. Brause. Neuronale Netze. Leitfäden der Informatik. Teubner, Stuttgart, 2 edition, 1993.
[2] C. E. García, D. M. Prett, and M. Morari. Model predictive control: Theory and Practice – a survey. Automatica, 25(3):335–348, 1989.
[3] K. J. Hunt, D. Sbarbaro, R. Żbikowski, and P. J. Gawthrop. Neural networks for control systems – a survey. Automatica, 28(6):1083–1112, 1992.
[4] K. S. Narendra and K. Parthasarathy. Identification and control of dynamic systems using neural networks. IEEE Trans. on Neural Networks, 1(1):4–27, 1992.
[5] W. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T. Vettering, and B. P. Flannery. Numerical recipes in C. Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2. edition, 1994.
[6] P. J. Werbos. Backpropagation through time: What it does and how to do it. Proceedings of the IEEE, 78(10):1550–1560, 1990.

Bezugszeichen zu 1

1: Regler
2: Speicher
3: Zentraleinheit
4: Prädiktor
5: Dosiervorrichtung
6: Lebewesen
7: Überwachungsinstrument
8: Vorverarbeitungseinheit
T: Istwert der Narkosetiefe
T_soll: Sollwert der Narkosetiefe
u: Istwert der Dosisrate
û: berechnete Dosisrate
T ^: zu erwartende Narkosetiefe

Bezugszeichen zu 2

10: Steuereinheit
20: Prädiktor
30: Optimierereinheit
40: Güteberechnungseinheit
50: Artefaktbehandlungseinheit
60: Prädiktionsfehlerberechnungseinheit
70: Narkosetiefenwertespeicher
80: Dosisratenwertespeicher
90: Dosisratenberechnungseinheit
M: Mittelungseinheit
SP: SP-Einheit
PS: PS-Einheit
V: Verzögerungsglied
AEE: Artifakterkennungseinheit
OE: Optimierereinheit
R: Recheneinheit
S: Speicher

Claims

Verfahren zur Einstellung einer in seiner Dosisrate u gezielt veränderlichen Dosiervorrichtung für ein Narkosemittel, das einem Organismus zugeführt werden kann, wobei über einen Regler die Dosisrate u so eingestellt wird, daß ein vorgebbarer Sollwert T_soll der Narkosetiefe schnell erreicht und beliebig lange aufrecht erhalten wird, wobei der Istwert T der Narkosetiefe aufgrund der zugeführten Narkosemittelmenge in an sich bekannter Weise festgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der Dosisrate u über einen modellbasierten Reglertyp unter Verwendung eines neuronalen Netzwerkes erfolgt, wobei als Regelungsstruktur in an sich bekannter Weise eine prädiktive Regelung (MPC), eine Internal Model Control (IMC), eine Model Reference Control (MRC), eine Supervised Control (SC), eine Direct Control (DC) oder eine Indirect Control (IC) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das neuronale Netzwerk zur Konfiguration der Netzwerkparameter vor und/oder während des Verfahrens eine Trainingsphase durchläuft, bei der die Istwerte der Narkosetiefe T und der Dosisrate u zur Ermittlung bzw. Veränderung der Netzwerkparameter verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: (a) im nach dem Konzept der prädiktiven Regelung (MPC) arbeitenden Regler mit einem Speicher, einer Zentraleinheit und einem Prädiktor erhält die Zentraleinheit vom Speicher zum Zeitpunkt n := N • die Istwerte bzw. die durch eine Einheit zur Störungserkennung vorverarbeiteten Werte zurückliegender Narkosetiefen T_n–1, T_n–2, T_n–3 etc., • den Momentanwert der Narkosetiefe T_n, • die Istwerte zurückliegender Dosisraten u_n–1, u_n–2, u_n–3 etc., • den Momentanwert der Dosisrate u_n zur Übermittlung an den Prädiktor und ferner: • den momentanen Sollwert der Narkosetiefe T_soll,n und die zukünftigen Sollwerte T_soll,n+1, T_soll,n+2, ..., (b) der Prädiktor erhält einen Wert û_n+1 einer hypothetischen zukünftigen Dosisrate von der Zentraleinheit, (c) der Prädiktor ermittelt die zu erwartende Narkosetiefe T ^_n+1 zur Übermittlung an die Zentraleinheit, (d) die Narkosetiefe T ^_n+1 und die Dosisrate û_n+1 werden als fiktive zurückliegende Istwerte T ^_n+1 und û_n+1 abgespeichert, (e) Wiederholung der Verfahrensschritte a) bis d) für die Zeitpunkte n + 2, n + 3, n + 4, etc., (f) Unterbrechung des Verfahrens, wenn nach Verfahrensschritt d) eine vorgebbare Anzahl N_H von zu erwartenden Narkosetiefen T ^_n+1 und hypothetischen Dosisraten û_n+1 abgespeichert sind, (g) Auswertung der abgespeicherten zu erwartenden Narkosetiefen T ^_n+1 und hypothetischen, zukünftigen Dosisraten û_n+1 in einer Gütefunktion F zur Bewertung einer Abweichung von T_soll und der Änderungen der Dosisraten unter eventueller Einbeziehung vergangener und des momentanen Prädiktionsfehlers ..., T_n–2 – T ^_n–2, T_n–1 – T ^_n–1, T_n – T ^_n, (h) Fortführung mit Verfahrensschritt a), wobei der Prädiktor in Abhängigkeit von der Auswertung in Verfahrensschritt g) in Verfahrensschritt b) einen verbesserten Wert für û_n+1 erhält, (i) Unterbrechung des Verfahrens, wenn nach Verfahrensschritt g) ein Abbruchkriterium erfüllt ist (der Wert der Gütefunktion F unterschreitet einen Schwellwert F₀, die Änderung ΔF zweier aufeinanderfolgenden Werte der Gütefunktion F unterschreitet einen Schwellwert ΔF₀ und/oder die Verfahrensschritte a) bis h) wurden bereits N_max-mal durchlaufen), (j) Berechnung der Dosisrate û_n+1 über eine Funktion G, aus den zuletzt abgespeicherten hypothetischen Dosisraten û_n+1, û_n+2, ...,
, (k) Übermittlung der ermittelten Dosisrate û_n+1 an eine Dosiervorrichtung zur Einstellung der dem Lebewesen zugeführten Narkosemittelrate, (l) Fortführung mit Verfahrensschritt a) für den Zeitpunkt n := N + 1.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß eine über die Veränderung der Netzwerkparameter hinausgehende Adaption des Reglers während des Verfahrens erfolgt, indem weitere Parameter zum Ausgleich des Prädiktionsfehlers, nachgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensverlauf und die Systemelemente (Überwachungsinstrument, Regler, Prädiktor, Dosierungseinheit, etc.) an die verschiedenen Narkosetypen (Relaxation, Hypnose, Analgesie) angepaßt werden können.
Narkosesystem zur Narkotisierung eines Lebewesens, insbesondere eines zu operierenden oder zu behandelnden Menschen, mit • einer Dosiervorrichtung zur Einstellung der dem Lebewesen zuzuführenden Narkosemittelmenge, • einem Überwachungsinstrument, insbesondere einem Narkosemonitor, zur Feststellung des Istwertes der Narkosetiefe T des Lebewesens aufgrund der zugeführten Narkosemittelmenge und • einem Regler zur programmierbaren Regelung der Dosisrate u zur Erzielung eines vorgebbaren Sollwertes T_soll der Narkosetiefe, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (1) einen modellbasierten Regelungstyp aufweist, der als Regelungsstruktur eine prädiktive Regelung (MPC), eine Internal Model Control (IMC), eine Model Reference Control (MRC), eine Supervised Control (SC), eine Direct Control (DC) oder eine Indirect Control (IC) verwendet.
Narkosesystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell des modellbasierten Reglers als neuronales Netzwerk (NNW) ausgebildet ist.
Narkosesystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelungsstruktur eine prädiktive Regelung verwendet wird, die einen Prädiktor aufweist, der als neuronales Netzwerk (NNW), vorzugsweise Merschicht-Perzeptron (multi-layer-perceptron, MLP), mit Speicher ausgebildet ist.
Narkosesystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das neuronale Netzwerk (NNW) über Gewichtswerte w konfigurierbar ist.
Narkosesystem nach einem der Ansprüche 6–9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorverarbeitungseinheit zur Störungserkennung vorgesehen ist, die z. B. auftretenden Sensorausfall registriert und eine Prüfung der Meßsignale auf Plausibilität und/oder eine Vorverarbeitung der Meßsignale durchführt.
Narkosesystem nach einem der Ansprüche 6–10, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler als EDV-Einheit (z. B. PC, Laptop), als Analogschaltung und/oder Digitalschaltung ausgebildet ist.
Narkosesystem nach einem der Ansprüche 6–11, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler mit mehreren Überwachungsinstrumenten und/oder mehreren Dosiervorrichtungen verbunden ist.