CN103637798B - 一种麻醉深度监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种麻醉深度监测装置，包括：脑电信号采集电极；前置模块，包括依次连接的前置放大模块和模数转换模块；傅里叶变换模块；皮层活动性计算模块，接收傅里叶变换模块的输出数据，并实现皮层活动性子参数的计算；皮层下活动性计算模块，接收傅里叶变换模块的输出数据，并实现皮层下活动性子参数的计算；平衡麻醉深度计算模块，接收皮层活动性计算模块和皮层下活动性计算模块的输出的子参数，通过加权和法得到平衡麻醉深度；显示模块，对平衡麻醉深度进行显示。本发明在保留单纯吸入或静脉全麻药下麻醉深度监测准确性的前提下，具有阿片类药物复合吸入或静脉全麻药下麻醉深度监测更准确的优点。

Description

一种麻醉深度监测装置

技术领域

本发明涉及一种麻醉深度监测装置。

背景技术

麻醉深度监测是保证麻醉质量的重要工作内容。意识消失是核心的麻醉成分，由于肌肉松弛药的应用，警觉/镇静评分(Observer’sAssessmentofAlertness/SedationScale,OAA/S)这样可靠的临床指标无法实施。暂时阻断肢体血运以保留其指令反应的孤立臂技术（Isolatedforearmtechnology，IFT）作为术中意识监测的金标准，又受到肢体缺血时间的限制不能在整个麻醉期持续监测。

使用仪器实时监测全麻中的意识状态成为麻醉医师的梦想。目前已有以双频指数（Bispectrum，BIS）为代表的数种基于脑电（Electroencephalogram，EEG）的麻醉深度监测仪得到临床应用。BIS目前已在临床广泛应用并有许多研究文献发表，随着研究的深入，发现在单一异丙酚麻醉或复合阿片类药物后，尽管临床指标如OAA/S或IFT评价患者在同等的麻醉深度下，BIS监测仪却得出不相同的监测值。

如Lysakowski报告所有芬太尼类药物都增加临床催眠效应，但BIS反映不出来。Schmidt报道应用瑞芬后BIS不能提供合适的麻醉深度监测。Lequeux的研究中，靶控8ng/ml瑞芬和1.3mg/ml异丙酚患者失去意识，但这时BIS=93，明显不合理。Manyam的研究认为虽然瑞芬太尼加到七氟醚麻醉中会加深临床镇静，BIS对这种临床状况的变化却不敏感，因此在重阿片七氟烷，瑞芬麻醉中，BIS目标值小于60，AAI值小于30会造成不必要的深麻醉。

临床应用最广的BIS监测仪用三个子参数贝塔率、快慢同步和暴发抑制通过加权和计算出单一指数BIS。目前在单一吸入或静脉***麻醉下，BIS监测仪比较可靠，但临床中更常见的阿片类药物复合吸入或静脉***麻醉下，BIS监测仪的麻醉深度的监测准确性并不理想。

要探讨BIS监护仪在复合麻醉下监测效能下降的原因，必须从其内部算法入手。BIS是由贝塔率（βratio）、快慢同步（SynchFastSlow，SFS）等子参数计算出来的。

βratio的计算方法如下：

$\mathrm{\βratio}=\log \frac{E_{(30~47)}}{E_{(11~20)}}$

上式中，E_{（30～47）}是30至47Hz范围内的功率之和，E_{（11～20）}是11至20Hz范围内的功率之和。

SFS的计算方法如下：

先计算两个特定频点的双频谱：

B（f1,f2）=E(f1)×E(f2)×E^*(f1+f2)

再计算SFS：

$\mathrm{SFS}=\log \frac{B_{(0.5~47)}}{B_{(30~47)}}$

上式中，B_{（0.5～47）}是0.5至47.0Hz范围内所有频率组合双频谱的和，B_(30～47）是40至47Hz范围内所有频率组合双频谱之和。SFS虽然一定程度上反映不同频率成分的相位匹配，但也受各频率成分相对功率的重大影响。

总而言之，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题是：如何提高复合麻醉下监测麻醉深度的准确性。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种麻醉深度监测装置，它具有复合麻醉下麻醉深度监测更准确的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种麻醉深度监测装置，包括：

脑电信号采集电极；

前置模块，包括依次连接的前置放大模块和模数转换模块；所述前置放大模块用于接收脑电信号采集电极所采集的模拟脑电信号，并对该模拟脑电信号进行放大；所述模数转换模块用于接收前置放大模块放大后的模拟脑电信号，将模拟脑电信号转换为数字脑电信号；

傅里叶变换模块，用于对模数转换模块转换后的数字脑电信号进行傅里叶变换；得到脑电信号的各频点的功率值；

皮层活动性计算模块，接收傅里叶变换模块的输出数据，并实现皮层活动性子参数的计算；

皮层下活动性计算模块，接收傅里叶变换模块的输出数据，并实现皮层下活动性子参数的计算；

平衡麻醉深度计算模块，接收皮层活动性计算模块和皮层下活动性计算模块输出的子参数，通过计算得到平衡麻醉深度BDA（BalancedDepthofAnesthesia）；

显示模块，对平衡麻醉深度进行显示。

所述平衡麻醉深度计算模块，接收皮层活动性计算模块和皮层下活动性计算模块输出的子参数，通过加权和法计算得出平衡麻醉深度BDA。

所述皮层活动性子参数的计算方法如以下公式所示：

${\mathrm{Ac}}_1={\mathrm{\Σ}}_{i=65}^m{E}_i/{\mathrm{\Σ}}_{i=3}^7{E}_i;$

${\mathrm{Ac}}_2={\mathrm{\Σ}}_{i=65}^m{E}_i/{\mathrm{\Σ}}_{i=30}^{47}{E}_i;$

其中，Ac₁和Ac₂是皮层活动性子参数，E_i是iHz频点的脑电图功率，m是功率谱的频点，65≤m≤95。

所述皮层下活动性子参数的计算方法如以下公式所示：

${\mathrm{As}}_1={\mathrm{\Σ}}_{i=8}^n{E}_i/{\mathrm{\Σ}}_{i=3}^7{E}_i$

${\mathrm{As}}_2={\mathrm{\Σ}}_{i=8}^n{E}_i/{\mathrm{\Σ}}_{i=30}^{47}{E}_i$

其中，As₁和As₂是皮层下活动性子参数，E_i是iHz频点的脑电图功率，n是功率谱的频点，8≤n≤30。

本发明的有益效果：

1它具有在临床应用最广泛的阿片类与吸入或静脉全麻药复合麻醉下麻醉深度监测更准确的优点。

2它保留了单纯吸入或静脉全麻药下麻醉深度监测的准确性。

3前置放大模块和模数转换模块前移到脑电电极附近，缩短了模拟信号电缆的长度，减少了环境电磁波对微弱的脑电信号的干扰。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2（a）为P组一例典型患者麻醉前的脑电信号示意图；

图2（b）为P组一例典型患者意识消失后的脑电信号示意图；

图3为两组麻醉前EEG功率谱；

图4（a）为P组麻醉前和意识消失后的EEG功率谱；

图4（b）为RP组麻醉前和意识消失后的EEG功率谱；

图5为两组意识消失后的EEG功率谱。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例的结构

如图1所示，一种麻醉深度监测装置，包括：脑电信号采集电极；前置模块，包括依次连接的前置放大模块和模数转换模块；所述前置放大模块用于接收脑电信号采集电极所采集的模拟脑电信号，并对该模拟脑电信号进行放大；所述模数转换模块用于接收前置放大模块放大后的模拟脑电信号，将模拟脑电信号转换为数字脑电信号；傅里叶变换模块，用于对模数转换模块转换后的数字脑电信号进行傅里叶变换；得到脑电信号的各频点的功率值。皮层活动性计算模块，接收傅里叶变换模块的输出数据，并实现皮层活动性子参数的计算；皮层下活动性计算模块，接收傅里叶变换模块的输出数据，并实现皮层下活动性子参数的计算；平衡麻醉深度计算模块，接收皮层活动性计算模块和皮层下活动性计算模块输出的子参数，通过加权和法、自适应神经-模糊推理***（ANFIS）或BP神经网络算法得到平衡麻醉深度BDA；显示模块，对平衡麻醉深度进行显示。

所述脑电信号采集电极通过20厘米长的电缆与前置放大模块连接；所述模数转换模块通过2米长的数字信号电缆与傅里叶变换模块连接。

所述采集电极按照国际10-20标准电极***分别在参考电极Fpz，活动电极AT1，和左乳突位置安放。

所述前置放大模块的增益为10000倍，另外此放大器内置50Hz陷波滤波器，避免了50Hz工频信号对微弱的EEG信号的干扰。

所述模数转换模块为16位模数转换器，转换频率1024次/秒，将前置放大模块输出的模拟脑电信号转换为数字脑电信号。

所述傅里叶变换模块将模数转换模块输出的数字脑电信号进行傅里叶变换，每秒变换一次。将时域信号的原始EEG转换为频域信号的功率谱，

所述皮层活动性计算模块根据傅里叶变换模块输出的功率谱计算皮层活动性子参数，每秒计算1次。计算方法如以下公式所示：

${\mathrm{Ac}}_1={\mathrm{\Σ}}_{i=65}^m{E}_i/{\mathrm{\Σ}}_{i=3}^7{E}_i;$

${\mathrm{Ac}}_2={\mathrm{\Σ}}_{i=65}^m{E}_i/{\mathrm{\Σ}}_{i=30}^{47}{E}_i;$

其中，Ac₁和Ac₂是皮层活动性子参数，E_i是iHz频点的脑电图功率，m是功率谱的频点。

所述皮层下活动性计算模块根据傅里叶变换模块输出的功率谱计算皮层下活动性子参数，每秒计算1次。计算方法如以下公式所示：

${\mathrm{As}}_1={\mathrm{\Σ}}_{i=8}^n{E}_i/{\mathrm{\Σ}}_{i=3}^7{E}_i$

${\mathrm{As}}_2={\mathrm{\Σ}}_{i=8}^n{E}_i/{\mathrm{\Σ}}_{i=30}^{47}{E}_i$

其中，As₁和As₂是皮层下活动性子参数，E_i是iHz频点的脑电图功率，n是功率谱的频点。

所述平衡麻醉深度计算模块根据皮层活动性计算模块和皮层下活动性计算模块的输出，通过加权和法、自适应神经-模糊推理***（ANFIS）或BP神经网络算法计算平衡麻醉深度BDA，每秒计算1次。

显示模块，对平衡麻醉深度进行显示。每秒更新显示1次。

实施例的临床试验

将上述实施例应用于临床，观察单纯静脉***异丙酚麻醉和异丙酚复合瑞芬太尼麻醉下脑电功率谱的异同以及经典麻醉深度指标BIS和本发明麻醉深度指标BDA的异同。

选择普外科拟在全身麻醉下行择期手术的美国麻醉医师协会术前评估分级I-II级、年龄18-65岁的患者40例。患者被随机分到异丙酚组（P组）和瑞芬太尼复合异丙酚组（RP组）。每组各20例。

患者入手术室后按照国际10-20标准电极***随机在头部左侧或右侧安放脑电电极片，安放位置为Fpz（参考电极），AT1或AT2（活动电极），和左或右乳突（地），在另一侧按照说明书安放BIS监护仪专用脑电电极，启动本实施例和BIS监护仪采集分析脑电信号。P组不输注阿片类药物瑞芬太尼，RP组用BasePrimea注射泵效应部位靶控输注瑞芬太尼（人福药业，宜昌），靶浓度为4ng/ml。然后两组患者都通过BasePrimea注射泵效应部位靶控输注静脉***异丙酚，调节异丙酚效应部位浓度使患者达到意识刚刚消失（LOC）的麻醉深度。记录此时的原始脑电图、脑电功率谱、麻醉深度BIS和平衡麻醉深度BDA。

临床试验结果

P组一例典型患者麻醉前脑电示意图见图2（a）、LOC后脑电信号示意图见图2（b）。麻醉前图2（a）、LOC后EEG波形图2（b）有明显变化，但无法根据EEG波形直接对麻醉深度做出量化分析。

两组麻醉前的基础功率谱见图3，P组用实线表示，RP组用虚线表示。可以看出，两组麻醉前的功率谱是相同的。

P组、RP组麻醉前和LOC后功率谱的变化分别如图4（a）和图4（b）所示，麻醉前用实线表示，LOC后用虚线表示。可以看出，两组LOC后的功率谱均不同于麻醉前。

两组LOC后的功率谱比较见图5，P组用实线表示，RP组用虚线表示。可以看出，虽然都处于刚进入LOC的麻醉深度，两组LOC后的功率谱并不重叠。两组在3至8Hz（θ波）和30Hz至50Hz（γ波）两组功率谱大致相似，但反映皮层下活动性的8至30Hz频段P组的功率谱大于RP组。而反映皮层活动性的65至95Hz频段RP组的功率谱大于P组，说明两组虽然都处于刚进入LOC的麻醉深度，但皮层，皮层下的活动状态却不同。

两组麻醉前、意识消失后BIS、BDA值均符合正态分布，见表1。

表1两组患者麻醉前、意识消失后BIS和BDA

*：组间比较有极显著性差异（P<0.01）。

从表1的数据可以看出，意识消失后组间BIS比较有极显著性差异，说明BIS不能对不同麻醉方法导致的同等麻醉状态做出相同水平的评估。意识消失后组间BDA比较无显著性差异，说明BDA能够对不同麻醉方法导致的同等麻醉状态做出相同水平的评估。

EEG的概念

EEG是源于脑内的，从头皮采集到的电活动信号。是反映脑功能的良好指标。传统上将EEG按照频率分为不同的成分，1-3.5Hz称为δ波，4-7Hz称为θ波，8-13Hz称为α波，13-30Hz称为β波，30Hz以上称为γ波。一般认为低频成分如α波主要来源于丘脑或丘脑-皮层联络引起的皮层同步化，高频成分如γ波主要来源于皮层的自发电活动。常见的镇静催眠药和麻醉均会引起EEG的明显变化，镇静催眠药会引起EEG的高频成分γ波减少，低频成分α波增加，如图4（a）。这种变化可能是由于镇静催眠药明显抑制大脑皮层的自发高频波，而丘脑受抑制较轻或受抑制的高频波减少了对低频波的分解使低频波相对的亢进。

EEG监测麻醉深度的原理

麻醉状态下肉眼观察EEG波形就会发现其发生了明显的变化，如图2（a）和图2（b）所示。但从原始EEG中无法量化的评价麻醉深度，因此麻醉深度监测仪均是将原始EEG转化为几个敏感指标，称为子参数，再利用一定的加权或判别算法将几个子参数统一为单一的无量纲数值指标，实现对麻醉深度的量化评估。麻醉深度监测仪如BIS，CSI，Nacotrend等都是基于这种原理。这种原理中，子参数的选择是决定***性能的关键所在。

复合麻醉和单纯异丙酚麻醉下的BIS值不一致

目前各种EEG麻醉深度指标中，BIS的临床应用最广，临床研究也最深入，早期的研究认为BIS与多种***引起的镇静和浅麻醉的行为学测量有相关性。并且能在麻醉稳定时反映异丙酚浓度。一般异丙酚要与其他药物复合应用才能满足临床需要，目前有多篇文献深入研究了复合麻醉下BIS的监测效能。结果发现BIS不能独立于复合麻醉而准确评估麻醉深度。Lysakowski报告所有芬太尼类药物都增加临床催眠效应，但BIS反映不出来。Schmidt报道应用瑞芬太尼后BIS不能提供合适的麻醉深度监测。Lequeux的研究中，靶控8ng/ml瑞芬太尼和1.3mg/ml异丙酚患者失去意识，但这时BIS=93，明显不合理。Manyam的研究认为虽然瑞芬太尼加到七氟醚麻醉中会加深临床镇静，BIS对这种临床状况的变化却不敏感，因此在重阿片麻醉中，BIS目标值小于60会造成不必要的深麻醉。本发明临床采集的数据也证实，复合和不复合瑞芬太尼的两组虽然都将麻醉深度保持在刚刚失去意识的水平，BIS却明显将复合瑞芬太尼组的麻醉深度评估的较浅。

麻醉深度是皮层和皮层下活跃程度的综合反映

本发明发现同样是刚刚出现意识消失，P、RP两组的EEG功率谱是不同的，如图5所示。P组（单纯异丙酚麻醉）的EEG表现为8至30Hz频段功率较高，而65至95Hz频段功率较低，而RP组（瑞芬太尼复合异丙酚麻醉）的EEG表现为8至30Hz频段功率低，而65至95Hz频段功率较高，而在其他频段（3-8Hz、30-45Hz），两组的功率谱基本是重叠的。上述现象的生理解释如下：EEG的8至30Hz频段属于α和β波，一般认为是由丘脑或丘脑-皮层联络的“起搏”作用引起的皮层同步化引起的，EEG的65至95Hz频段一般认为是皮层自发放电形成的。中等剂量的异丙酚对皮层的抑制作用较强，而对丘脑抑制作用较弱，因此P组表现为65至95Hz频段的明显抑制和8至30Hz频段的相对亢进。而瑞芬太尼对丘脑、丘脑皮层联络抑制作用较强，对皮层抑制作用较弱，另外瑞芬太尼复合应用后使达到LOC所需的异丙酚剂量较小，因此RP组表现为65至95Hz频段的抑制较轻而8至30Hz频段抑制较重。总的来说，麻醉后的意识受皮层功能和皮层下功能的双重影响，同样是刚刚进入LOC状态的麻醉深度，不同的麻醉方法下皮层、皮层下的活跃程度是不相同的，患者对外界刺激的反应灵敏性应该是皮层和皮层下活跃程度的综合反映。

BIS的子参数都是从47.5Hz以下的频段计算出来的，因此与皮层下活动性的相关性较好，而与皮层活动性的相关性较差，正是BIS选择的频谱范围决定了其不能全面的反应全脑综合麻醉状态，所以在不同麻醉方法下，尽管患者可能处于相同的麻醉深度，BIS监测值却并不相同。

不受复合麻醉影响的新麻醉深度指标

从以上分析得到启发，如果麻醉深度监测中综合评价皮层和皮层下EEG的活动性，就有望避免BIS的缺陷，提高监测适应性，因此，本发明提出了主要反映皮层状态的Ac₁、Ac₂和主要反映皮层下状态的As₁、As₂四个新子参数，然后用加权和或模糊神经网络的方法将这些子参数归一化为一个单一无量纲数值BDA。通过临床数据进行的验证表明，在患者刚刚进入LOC的时刻，单纯异丙酚组和复合瑞芬太尼组的BDA没有差别。

本发明的主要结论

本发明采集了不同麻醉方法下，相同麻醉深度的EEG并对其进行了频谱分析，找出了不同麻醉方法下EEG脑电功率谱的异同，并依据EEG的生理基础对这种异同进行了解释，提出了麻醉深度监测中应该对皮层活动性和皮层下活动性进行平衡的评估，并最终建立了新的麻醉深度指标BDA。本发明的临床试验表明，BDA能够独立于瑞芬太尼的复合用药，准确的评估异丙酚麻醉的深度，本发明的发现提高了复合麻醉下麻醉深度监测的准确性，改善了麻醉深度监测的临床实用性。

符号说明

缩略词英文全名中文全名

EEGElectroencephalogram脑电图

βratioTheRatioofβ贝塔率

BISBispectrum双频谱

SFSSynchFastSlow快慢同步

LOCLossofConsciousness意识消失

FFTFastFourierTransform快速傅里叶变换

IFTIsolatedForearmTechnology孤立臂技术

Observer’sAssessmentofAlertness/Sedation

OAA/S警觉/镇静评分

Scale

A_cActivityofCortex皮层活动性

A_sActivityofSubcortex皮层下活动性

BDABalancedDepthofAnesthesia平衡麻醉深度

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.一种麻醉深度监测装置，包括：

前置模块，包括依次连接的前置放大模块和模数转换模块；所述前置放大模块用于接收脑电信号采集电极所采集的模拟脑电信号，并对该模拟脑电信号进行放大；所述模数转换模块用于接收前置放大模块放大后的模拟脑电信号，将模拟脑电信号转换为数字脑电信号；

傅里叶变换模块，用于对模数转换模块转换后的数字脑电信号进行傅里叶变换；得到脑电信号的各频点的功率值；

平衡麻醉深度计算模块，接收皮层活动性计算模块和皮层下活动性计算模块输出的子参数，通过计算得到平衡麻醉深度BDA；所述平衡麻醉深度计算模块的计算通过加权和法、自适应神经-模糊推理***或BP神经网络算法实现；

显示模块，对平衡麻醉深度进行显示；

其特征是，还包括：

脑电信号采集电极，所述采集电极按照国际10-20标准电极***分别在参考电极Fpz，活动电极AT1，和左乳突位置安放；

皮层活动性计算模块，接收傅里叶变换模块的输出数据，并实现皮层活动性子参数的计算；所述皮层活动性子参数的计算方法如以下公式所示：

${\mathrm{Ac}}_1={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=65}^m{E}_i/{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=3}^7{E}_i;$

${\mathrm{Ac}}_2={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=65}^m{E}_i/{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=30}^{47}{E}_i;$

其中，Ac₁和Ac₂是皮层活动性子参数，E_i是iHz频点的脑电图功率，m是功率谱的频点；

皮层下活动性计算模块，接收傅里叶变换模块的输出数据，并实现皮层下活动性子参数的计算；所述皮层下活动性子参数的计算方法如以下公式所示：

${\mathrm{As}}_1={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=8}^n{E}_i/{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=3}^7{E}_i$

${\mathrm{As}}_2={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=8}^n{E}_i/{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=30}^{47}{E}_i$

其中，As₁和As₂是皮层下活动性子参数，E_i是iHz频点的脑电图功率，n是功率谱的频点；

所述平衡麻醉深度计算模块，接收皮层活动性计算模块和皮层下活动性计算模块输出的子参数，通过加权和法计算得出平衡麻醉深度BDA。