NL9001341A

NL9001341A - METHOD FOR DETERMINING ANESTHESIA DEPTH

Info

Publication number: NL9001341A
Application number: NL9001341A
Authority: NL
Original assignee: Stichting Tech Wetenschapp
Priority date: 1990-06-13
Filing date: 1990-06-13
Publication date: 1992-01-02
Also published as: WO1991019453A1

Description

Werkwijze voor het bepalen van anesthesie-diepte.Method of determining anesthesia depth.

Aanvraagster noemt als uitvinder: Ir. P.J.M. CluitmansThe applicant mentions as inventor: Ir. P.J.M. Cluitmans

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het bepalen van de anesthesie-diepte van een patiënt, omvattende de volgende stappen: het herhaald toedienen van zintuigprikkels aan de patiënt; het telkens, gedurende een meetinterval volgend op elke prikkel, niet-invasief registreren van de elektrische activiteit van de hersenen van de patiënt; het uit een aantal meetintervallen berekenen van een representatie van de responsie van een sensorische zenuwbaan op een enkele prikkel; het bepalen van de latentietijden en amplitudes van maxima en minima in de representatie, welke een maat zijn voor de anesthesie-diepte.The invention relates to a method for determining the depth of anesthesia of a patient, comprising the following steps: the repeated administration of sensory stimuli to the patient; non-invasively recording the electrical activity of the patient's brain during a measurement interval following each stimulus; calculating a representation of the response of a sensory nerve path to a single stimulus from a number of measurement intervals; determining the latencies and amplitudes of maxima and minima in the representation, which are a measure of the depth of anesthesia.

Een dergelijke werkwijze is uit de praktijk bekend.Such a method is known from practice.

De moderne anesthesie-techniek maakt vaak gebruik van combinaties van verschillend werkende stoffen. Hierdoor kunnen de vier aspecten van anesthesie, te weten bewusteloosheid, onderdrukking van het verwerken van pijnprikkels (analgesie), vermindering van autonome reflexen, en onderdrukking van spierfuncties (relaxatie), min of meer onafhankelijk van elkaar worden geregeld. De oorspronkelijke manier van bepalen van de anesthesie-diepte op basis van klinische waarnemingen en metingen kan hierbij echter niet meer worden gebruikt. Om toch een betrouwbare indicatie van de anesthesie-diepte te verschaffen, teneinde ondermeer het bijkomen van de patiënt tijdens de operatie te voorkomen, wordt gezocht naar nieuwe technieken voor het bepalen van de anesthesie-diepte.The modern anesthesia technique often uses combinations of differently acting substances. This allows the four aspects of anesthesia, namely unconsciousness, suppression of the processing of pain stimuli (analgesia), reduction of autonomic reflexes, and suppression of muscle functions (relaxation), to be controlled more or less independently of each other. However, the original way of determining the depth of anesthesia based on clinical observations and measurements can no longer be used. In order to nevertheless provide a reliable indication of the anesthesia depth, in order, among other things, to prevent the patient from recovering during the operation, new techniques for determining the anesthesia depth are being sought.

Een dergelijke techniek is de in de aanhef genoemde werkwijze. Bij een dergelijke werkwijze wordt de elektrische responsie van een sensorische zenuwbaan ten gevolge van een zintuigprikkel gemeten. Deze responsie wordt gekenmerkt door een karakteristieke opeenvolging van maxima en minima. Groepen van deze maxima en minima worden in componenten ingedeeld aan de hand van hun neurologische generatoren. De hersenstam-componenten worden bijvoorbeeld gegenereerd in de hersenstam en de midden-latentie-componenten in de middenhersenen en de primaire hersenschors. Naarmate de anesthesie-diepte toeneemt, neemt de latentietijd van de componenten, dat wil zeggen de tijd tussen het aanbieden van de zintuigprikkel en het optreden van een bepaald minimum of maximum in de elektrische responsie, toe, terwijl in het algemeen de amplitude van het minimum of maximum afneemt. Hierdoor kunnen de latentietijd en de amplitude van de responsie als maat voor de anesthesie-diepte worden gebruikt.Such a technique is the method mentioned in the opening paragraph. In such a method, the electrical response of a sensory nerve path as a result of a sensory stimulus is measured. This response is characterized by a characteristic sequence of maxima and minima. Groups of these maxima and minima are divided into components according to their neurological generators. For example, the brainstem components are generated in the brainstem and the mid-latency components in the midbrain and primary cerebral cortex. As the anesthesia depth increases, the latency time of the components, that is, the time between the provision of the sense stimulus and the occurrence of a certain minimum or maximum in the electrical response, increases, while generally the amplitude of the minimum or decreases maximum. This allows the latency time and amplitude of the response to be used as a measure of the depth of anesthesia.

Hierbij doet zich echter het probleem voor, dat de amplitude van de responsie vele malen kleiner is dan de amplitude van de door de hersenen gegenereerde spontane activiteit. Aangezien deze spontane activiteit voor wat de meting van de responsie betreft als ruis kan worden beschouwd, heeft het gewenste signaal ten opzichte van het gemeten signaal, het elektro-encefalogram (EEG), een zeer slechte signaal/-ruis-verhouding. Bij de bekende werkwijze wordt de signaal/ruis-verhou-ding verbeterd door een groot aantal, bijvoorbeeld 1000, gemeten responsies te middelen. Hierdoor wordt in principe de ruis uitgemiddeld, zodat een "gemiddelde responsie" ontstaat, die representatief is voor de responsie op een enkele prikkel en die een goede signaal/ruis-verhouding heeft. Van deze "gemiddelde responsie" kan nu de latentietijd en de amplitude van bepaalde componenten in de responsie met voldoende nauwkeurigheid worden bepaald.However, the problem here arises that the amplitude of the response is many times smaller than the amplitude of the spontaneous activity generated by the brain. Since this spontaneous activity can be considered as noise in terms of response measurement, the desired signal relative to the measured signal, the electroencephalogram (EEG), has a very poor signal-to-noise ratio. In the known method, the signal-to-noise ratio is improved by averaging a large number, for example 1000, of measured responses. This basically averages the noise to produce an "average response" representative of the response to a single stimulus and having a good signal-to-noise ratio. From this "mean response", the latency and amplitude of certain components in the response can now be determined with sufficient accuracy.

Teneinde een betrouwbaar resultaat te verkrijgen worden de meet-intervallen volgens de bekende werkwijze zodanig gekozen, dat er geen of slechts minimale interferentie optreedt tussen de opeenvolgende responsies, dat wil zeggen er wordt pas een prikkel aangeboden op het moment, dat de responsie van de voorgaande prikkel nagenoeg is uitgedempt. Hierbij doet zich echter het probleem voor, dat de totale benodigde meettijd lang is. Bij het aanbieden van bijvoorbeeld tien prikkels per seconde is voor het middelen van duizend meetintervallen een meettijd van honderd seconden, dat wil zeggen bijna twee minuten nodig. Deze meettijd is voor de meeste toepassingen te lang.In order to obtain a reliable result, the measuring intervals according to the known method are chosen such that there is no or only minimal interference between the successive responses, i.e. a stimulus is not offered until the response of the previous stimulus is almost muted. However, the problem here arises that the total required measuring time is long. When offering, for example, ten stimuli per second, a measuring time of one hundred seconds, that is to say almost two minutes, is required for averaging a thousand measuring intervals. This measuring time is too long for most applications.

De uitvinding beoogt dit bezwaar te ondervangen en een werkwijze te verschaffen, waarmee de anesthesie-diepte in een aanzienlijk kortere tijd nauwkeurig kan worden bepaald. De werkwijze volgens de uitvinding heeft hiertoe het kenmerk, dat de meetintervallen zodanig worden gekozen, dat zij elkaar gedeeltelijk overlappen.The object of the invention is to overcome this drawback and to provide a method with which the depth of anesthesia can be accurately determined in a considerably shorter time. To this end, the method according to the invention is characterized in that the measuring intervals are chosen such that they partly overlap each other.

Door het gedeeltelijk overlappen van de meetintervallen kan de gemiddelde frequentie waarmee de prikkels worden aangeboden veel hoger zijn, bijvoorbeeld honderd prikkels per seconde. De totale meettijd bedraagt daardoor, bij het aantal van duizend meetintervallen, slechts tien seconden.Due to the partial overlapping of the measurement intervals, the average frequency with which the stimuli are presented can be much higher, for example a hundred stimuli per second. The total measuring time is therefore only ten seconds at the number of thousand measuring intervals.

Bij overlappende meetintervallen kan interferentie optreden tussen twee of meer opeenvolgende responsies. Het nadelige effect van inter fererende responsies op de meetresultaten kan worden verminderd door de tijdsduur tussen twee opeenvolgende prikkels willekeurig te variëren, dat wil zeggen voor die tijdsduur een stochastische variabele te kiezen. De interferentie kan dan echter nog steeds een ontoelaatbare vervorming van de uit de meetintervallen bepaalde signaalvorm opleveren. Volgens de uitvinding wordt bij overlappende meetintervallen de interferentie tussen opeenvolgende responsies uitgemiddeld indien de (stochastische) tijdsduur tussen twee opeenvolgende prikkels zodanig wordt gekozen, dat deze een negatief-exponentiële verdeling heeft.Overlapping measurement intervals may cause interference between two or more consecutive responses. The detrimental effect of interfering responses on the measurement results can be reduced by randomly varying the time between two successive stimuli, i.e. choosing a stochastic variable for that time. However, the interference may still produce an unacceptable distortion of the signal shape determined from the measurement intervals. According to the invention, at overlapping measurement intervals, the interference between successive responses is averaged if the (stochastic) duration between two successive stimuli is chosen such that it has a negative-exponential distribution.

Een verder probleem dat kan optreden bij overlappende meetintervallen is het feit dat de zenuwbaan, waarvan de responsie wordt gemeten, zich gaat gedragen als een niet-lineair systeem. Bij het uit de stand van de techniek bekende middelen van de in de meetintervallen geregistreerde signalen wordt ervan uitgegaan, dat de zenuwbaan een lineair systeem vormt. Dit betekent dat het uit de stand van de techniek bekende middelingsproces vanwege de niet-lineariteiten een onnauwkeurig resultaat kan opleveren. Volgens de uitvinding wordt dit probleem vermeden door de representatieve responsie uit te rekenen aan de hand van een niet-lineair model van de zenuwbaan. De werkwijze volgens de uitvinding heeft hiertoe het kenmerk, dat de berekende representatie de eerste-orde-kern is.A further problem that can occur at overlapping measurement intervals is the fact that the nerve path, whose response is measured, behaves like a nonlinear system. The means known from the prior art of the signals recorded in the measuring intervals assumes that the nerve path forms a linear system. This means that the averaging process known from the prior art can produce an inaccurate result due to the non-linearities. According to the invention, this problem is avoided by calculating the representative response using a non-linear model of the nerve path. To this end, the method according to the invention is characterized in that the calculated representation is the first-order core.

Voor het opwekken van de te meten responsies kunnen verschillende zintuigen worden geprikkeld. Bij de werkwijze volgens de uitvinding wordt bij voorkeur het gehoor geprikkeld, aangezien dit op een eenvoudige wijze kan gebeuren zonder nadelige gevolgen voor de patiënt.Different senses can be stimulated to generate the responses to be measured. The method according to the invention preferably stimulates the hearing, since this can be done in a simple manner without adverse consequences for the patient.

De werkwijze volgens de uitvinding zal in het onderstaande nader worden toegelicht aan de hand van een voorkeursuitvoeringsvorm, waarbij ter illustratie: figuur 1 een elektro-encefalogram weergeeft met de toegediende zintuigprikkels en de bijbehorende meetintervallen, en figuur 2 enkele vormen van een berekende representatie voor verschillende niveaus van anesthesie-diepte weergeeft.The method according to the invention will be further elucidated hereinbelow on the basis of a preferred embodiment, in which by way of illustration: figure 1 shows an electroencephalogram with the applied sensory stimuli and the associated measurement intervals, and figure 2 shows some forms of a calculated representation for different levels of anesthesia depth.

Voor het toedienen van zintuigprikkels wordt gebruik gemaakt van oortelefoons die klikkende geluiden produceren. De tijdstippen waarop de klikken optreden worden willekeurig gekozen en wel zodanig, dat de tijdsduur tussen twee opeenvolgende klikken een stochastische variabele met een negatief-exponentiële verdeling is. Hierdoor wordt het aantal klikken dat binnen een vast tijdsinterval optreedt een stochastische grootheid met een Poisson-verdeling. Een serie tijdsintervallen met een negatief-exponentiële verdeling kan worden verkregen door middel van een algorithme zoals is beschreven in "The Art of Computer Programming", deel 2, door D.E. Knuth (Addison Wesley, 1969). Gemiddeld worden ongeveer honderd klikken per seconde aangeboden. Op elke klik volgt een meetinterval met een lengte van circa 80 msec. Dit is schematisch weergegeven in figuur 1, waarin op de horizontale as de tijd in milliseconden en op de verticale as de signaalamplitudes in microvolts zijn weergegeven. De aanvangstijdstippen van elk van de weergegeven meetinterval-len S1-S11 vallen hier samen met de tijdstippen van optreden van de klikken C1-C11. E is het, continu geregistreerde, elektro-encefalogram, waarvan steeds, in elk van de elkaar overlappende intervallen S1-S11, een gedeelte afzonderlijk wordt verwerkt.Sensory stimuli use earphones that produce clicking sounds. The times at which the clicks occur are chosen at random such that the time between two consecutive clicks is a stochastic variable with a negative exponential distribution. As a result, the number of clicks that occur within a fixed time interval becomes a stochastic quantity with a Poisson distribution. A series of time intervals with a negative exponential distribution can be obtained by an algorithm as described in "The Art of Computer Programming", part 2, by D.E. Knuth (Addison Wesley, 1969). On average, about a hundred clicks per second are offered. Each click is followed by a measuring interval with a length of approximately 80 msec. This is shown schematically in Figure 1, in which the horizontal axis shows the time in milliseconds and the vertical axis the signal amplitudes in microvolts. The starting times of each of the displayed measuring intervals S1-S11 coincide here with the times of occurrence of the clicks C1-C11. E is the continuously recorded electroencephalogram, each portion of which is processed separately at each of the overlapping intervals S1-S11.

Het elektro-encefalogram wordt opgenomen met behulp van elektroden, waarvan één bij één van de oren van de patiënt is aangebracht, één boven op de schedel en één als referentie-elektrode op het voorhoofd.The electroencephalogram is recorded using electrodes, one of which is placed on one of the patient's ears, one on top of the skull and one as a reference electrode on the forehead.

Het opgenomen signaal wordt gedigitaliseerd en elektronisch opgeslagen. Vervolgens wordt de eerste-orde-kem bepaald met behulp van de uitdrukking:The recorded signal is digitized and stored electronically. Next, the first-order core is determined using the expression:

1 1 N1 1 N

hi(T) = - . - . Σ y±(t) . {x(t-T)-o} σ N o met: h-ι (T) de eerste-orde-kern op het tijdstip T o de gemiddelde prikkelfrequentie N het aantal meetintervallen y±(t) het gemeten signaal in meetinterval i x(t) het aan de oortelefoon toegevoerde signaal.hi (T) = -. -. ± y ± (t). {x (tT) -o} σ N o with: h-ι (T) the first-order nucleus at time T o the average stimulation frequency N the number of measurement intervals y ± (t) the measured signal in measurement interval ix (t ) the signal applied to the earphones.

Figuur 2, waarin wederom langs de horizontale as de tijd in ms en langs de verticale as de signaalamplitudes in μν zijn uitgezet, toont enkele aldus berekende eerste-orde-kemen voor verschillende niveaus van anesthesie-diepte. Duidelijk is met name bij de laagfrequent-component te zien hoe zowel de amplitudes als de tijdstippen van optreden van bepaalde maxima en minima veranderen met een veranderende anesthesie-diepte.Figure 2, again plotting the signal amplitudes in μν along the horizontal axis and in the vertical axis, shows some first order nuclei thus calculated for different levels of anesthesia depth. The low-frequency component in particular clearly shows how both the amplitudes and the times of occurrence of certain maxima and minima change with a changing depth of anesthesia.

De berekening van de eerste-orde-kem kan tijdens het opnemen van het elektro-encefalogram worden uitgevoerd, dat wil zeggen dat de waarden van yi(t) voor een bepaald meetinterval in de berekening worden verwerkt zodra zij beschikbaar zijn. Hierdoor wordt een verdere snelheidswinst verkregen, aangezien de eerste-orde-kern nu vrijwel direct na het laatste meetinterval bekend zal zijn. Het opslaan van de meetgege vens en het uitvoeren van de berekening van de eerste-orde-kem kan door middel van "time-sharing" op een enkele processor, eventueel geassisteerd door een mathematische co-processor, plaatsvinden. Uiteraard kunnen ook twee zelfstandige processoren worden gebruikt.The calculation of the first order core can be performed during the recording of the electroencephalogram, that is, the values of yi (t) for a given measurement interval are included in the calculation as they become available. This results in a further speed gain, since the first-order core will now be known almost immediately after the last measuring interval. The storage of the measurement data and the calculation of the first-order core can be effected by means of "time-sharing" on a single processor, possibly assisted by a mathematical co-processor. Of course, two independent processors can also be used.

Van de eerste-orde-kern, die voor lineaire systemen identiek is aan de impulsresponsie, worden de latentietijd en amplitude bepaald op de tijdstippen van optreden van minimale en maximale amplitudes. De latentietijden en amplitudes kunnen worden vergeleken met vóór de narcose gemeten latentietijden en amplitudes, waarbij de toename van de latentietijd en de afname van de amplitude een maat is voor de anesthe-sie-diepte. De amplitude van de eerste-orde-kern neemt minder af met een toenemende anesthesie-diepte dan de amplitude van de, in de stand van de techniek toegepaste, impulsresponsie. Daardoor heeft de eerste-orde-kern voor een grotere anesthesie-diepte een betere signaal/ruis-verhouding dan de impulsresponsie.Of the first-order core, which for linear systems is identical to the impulse response, the latency and amplitude are determined at the times of occurrence of minimum and maximum amplitudes. The latency times and amplitudes can be compared to latency times and amplitudes measured prior to anesthesia, the increase in latency time and the decrease in amplitude being a measure of the anesthesia depth. The amplitude of the first-order core decreases less with an increasing depth of anesthesia than the amplitude of the impulse response used in the art. Therefore, for a greater anesthesia depth, the first-order core has a better signal-to-noise ratio than the impulse response.

Een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding omvat een pulsgenerator voor het opwekken van pulsen, die door middel van een transducent als zintuigprikkels aan de patiënt worden toegediend. Zo kunnen bijvoorbeeld aan een oortelefoon pulsen met een korte duur worden toegevoerd, die door de oortelefoon in klikken worden omgezet. Hierbij is de pulsgenerator bij voorkeur zo uitgevoerd, dat het aantal binnen een bepaalde tijdsinterval optredende pulsen bij voorkeur een stochastische variabele met een Poisson-verdeling is. Een dergelijke pulsgenerator kan een programmeerbare pulsgenerator zijn, danwel één waarin het algorithme voor het opwekken van pulsen met de gewenste verdeling vast is aangebracht.An apparatus for carrying out the method according to the invention comprises a pulse generator for generating pulses, which are administered to the patient as sensory stimuli by means of a transducer. For example, pulses of short duration can be applied to an earphone, which are converted into clicks by the earphone. The pulse generator is preferably designed such that the number of pulses occurring within a certain time interval is preferably a stochastic variable with a Poisson distribution. Such a pulse generator can be a programmable pulse generator, or one in which the algorithm for generating pulses with the desired distribution is fixed.

Een dergelijke inrichting omvat verder versterkers voor het versterken van de, met behulp van elektroden opgenomen, EEG-signalen, en analoog-digitaal-omzetters voor het digitaliseren van die signalen. Verder zijn opslagmiddelen, zoals een RAM-geheugen of een magnetische schijf, verschaft voor het opslaan van het gedigitaliseerde signaal, alsmede een verwerkingseenheid. De verwerkingseenheid, die een computer voor algemene toepassingen kan zijn, berekent uit de signaalwaarden binnen een groot aantal, met de prikkels gesynchroniseerde, meetinter-vallen een representatie van de responsie van een sensorische zenuwbaan op een enkele prikkel. Hierbij zullen de meetintervallen elkaar gedeeltelijk overlappen, zodat de verwerkingseenheid sommige signaalwaarden meermalen in de berekening zal betrekken. Bij voorkeur is de verwerkingseenheid zodanig geprogrammeerd, dat de berekende representatie de eerste-orde-kern is. De inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding omvat verder uitvoermiddelen, zoals een beeldscherm, voor het weergeven van de berekende representatie. Eventueel kan de inrichting middelen omvatten voor het direct uit de representatie berekenen van de latentietijd en de amplitude, waarbij dan uitvoermiddelen aanwezig zijn voor het weergeven van de berekende waarden.Such an arrangement further comprises amplifiers for amplifying the EEG signals recorded with electrodes and analog-to-digital converters for digitizing those signals. Furthermore, storage means, such as a RAM memory or a magnetic disk, are provided for storing the digitized signal, as well as a processing unit. The processor, which may be a general purpose computer, calculates from the signal values within a large number of measurement intervals synchronized with the stimuli a representation of the response of a sensory nerve path to a single stimulus. The measuring intervals will partly overlap each other, so that the processing unit will involve some signal values several times in the calculation. Preferably, the processing unit is programmed such that the calculated representation is the first order core. The apparatus for performing the method according to the invention further comprises output means, such as a screen, for displaying the calculated representation. Optionally, the device may comprise means for calculating the latency time and the amplitude directly from the representation, output means then being provided for displaying the calculated values.

Claims

A method for determining the depth of anesthesia of a patient, comprising the following steps: repeatedly administering sensory stimuli to the patient; non-invasively recording the electrical activity of the patient's brain during a measurement interval following each stimulus; calculating a representation of the response of a sensory nerve path to a single stimulus from a number of measurement intervals; determining the latency times and amplitudes of maxima and minima in the representation, which are a measure of the depth of anesthesia, characterized in that the measurement intervals are chosen to partially overlap.

A method according to claim 1, wherein the time between two successive stimuli is a stochastic variable, characterized in that this stochastic variable has a negative exponential distribution.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the calculated representation is the first order core.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sensory stimuli are auditory stimuli.

Apparatus for carrying out a method according to any of the preceding claims, comprising: means for generating random sensory stimuli distributed over time; means for non-invasively recording the electrical activity of the patient's brain over a number of measurement intervals; means for converting the recorded electrical activity into digital values; means for calculating the representation of the response of a sensory nerve path to a single stimulus; means for displaying the representation, characterized in that said means for generating the sensory stimuli are arranged such that the time between two successive stimuli has a negative-exponential distribution, and that said means for recording the measuring intervals Arrange so that they partially overlap.

Apparatus according to claim 5, characterized in that said means for calculating the representation is arranged for calculating the first-order core.