LOS POTENCIALES EVOCADOS AUDITIVOS EN LA
EVALUACIÓN DE LA PROFUNDIDAD ANESTÉSICA:
UN CASO PRÁCTICO
J.M. Jiménez1, F.J. Gil3, J. Roca Jr1., J. Roca1, J. Fabregat2, J.A. Alvarez2
1EIMED - Dpto. Tecnología Electrónica. E.T.S. de Ingeniería Industrial. Universidad Politécnica de Cartagena.
Campus Muralla del Mar, s/n – 30202 Cartagena (Murcia). España Joaquin.Roca@upct.es
2Servicio de Anestesia y Reanimación. 3Servicio de Medicina Intensiva. Hospital Sta. María del Rosell – Cartagena.
RESUMEN
En esta comunicación se presenta la evolución y primeros resultados de un proyecto que pretende realizar el control en lazo cerrado de la profundidad anestésica de pacientes quirúrgicos. Los Potenciales Evocados Auditivos (PEA) se han mostrado útiles a la hora de monitorizar el estado anestésico de tales pacientes. Dichos potenciales presentan diferencias en sus características según el paciente esté o inconsciente. Los resultados obtenidos, muestran el cambio experimentado por dichos potenciales durante una intervención quirúrgica con requerimiento de anestesia general. Para el desarrollo y obtención de estos resultados se ha desarrollado un software propio basado en el entorno Labview.
Palabras clave: profundidad anestésica, potenciales
evocados auditivos, EEG, adquisición de datos.
1. INTRODUCCIÓN
El grupo de investigación “Electrónica Industrial y Médica” (EIMED) viene trabajando en aplicaciones de ingeniería biomédica, relacionadas con ayudas tecnológicas a discapacitados, equipamiento para evaluación, rehabilitación de disfuncionalidades, ayudas clínicas, etc. Actualmente se colabora con el Hospital Sta. María del Rosell de Cartagena, en concreto con los Servicios de Anestesiología y Reanimación y con el de Medicina Intensiva, donde la interacción descrita entre ambos profesionales, médicos e ingenieros, se destaca como vía de salida natural para resolver los problemas presentados en el campo de la ingeniería biomédica.
Fruto de esta colaboración surgió el planteamiento de un proyecto en común en el que se primara la sinergia entre ambos equipos investigadores; con probada experiencia en los campos de la medicina y la ingeniería. Bajo estas condiciones se definió el proyecto “Control automatizado en lazo cerrado de la profundidad anestésica en pacientes quirúrgicos y de la sedación en pacientes ventilados mecánicamente” que actualmente se encuentra en la etapa de obtención de primeros resultados.
El planteamiento inicial de este proyecto fue presentado en el XVIII Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica, celebrado en Cartagena en Septiembre de 2000 y organizado por EIMED y la Universidad Politécnica de Cartagena. (UPCT).
Dicho planteamiento esta basado en que, en las UCI´s, es habitual el tener pacientes que precisan sedación para mantenerse conectados a un respirador. Para ello son fundamentales los fármacos hipnóticos administrados por bomba de infusión, en perfusión continua, ajustándose su dosis en función del peso de los sujetos y de las características farmacocinéticas y farmacodinámicas de los fármacos; todo ello junto con la observación clínica del paciente. Igualmente, en los pacientes quirúrgicos, se plantea una situación similar, pero necesitando un nivel de sedación más profundo, junto con una analgesia y relajación muscular que eviten la aparición del dolor y los efectos indeseables ocasionados por los propios movimientos intraoperatorios incontrolados del paciente.
Lo anterior pone de manifiesto, la necesidad de monitorizar la profundidad de anestesia de pacientes que vayan a ser intervenidos quirúrgicamente o que deben estar en un estado de inconsciencia permanente, así como para prevenir el dolor y situaciones de consciencia y “fijación de recuerdos” del acto quirúrgico. También es necesario evaluar el estado del propio sistema autónomo para evitar efectos indeseables por un estado anestésico demasiado profundo o incluso demasiado débil, minimizando el estrés y sus manifestaciones; además de facilitar la recuperación de la consciencia en el momento deseado.
Dado que la profundidad anestésica es de difícil definición y medición, en los últimos años se han buscado elementos que permitan una medida objetiva de este estado. La atención en este campo ha estado más centrada en los PEA que en el electroencefalograma (EEG), y más aún en los potenciales evocados auditivos de latencia media (PEALM), que han sido validados como una buena medida de la sedación [1].
El objetivo del proyecto es obtener un índice de profundidad anestésica [2] (IPA) a partir de los potenciales evocados, que sea capaz de parametrizar los cambios en el estado anestésico del paciente. De forma paralela, y con el análisis biespectral del EEG, se establecerá la correlación de este índice con la sedación y los niveles plasmáticos y en la biofase del fármaco hipnótico. De esta forma será posible controlar automáticamente la velocidad de infusión de una bomba cargada con un fármaco hipnótico de acuerdo a la farmacocinética específica de ese fármaco (Propofol). Para obtener los PEA, se aplican estímulos auditivos, que están formados por una serie de clicks. El potencial evocado que se genera es de muy baja amplitud, por lo que es necesario mejorar la relación S/N (típicamente, con un promediado) para obtener una señal de calidad y que se pueda estudiar posteriormente.
Memorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana, Cuba
Respecto al IPA, indicar que es una medida cuantitativa de cómo es la curva de PEA y se calcula como la suma de los valores absolutos de las diferencias entre dos puntos consecutivos de dicha curva.
En la Fig. 1 se muestra un PEA, y sus características principales [3]. Cada pico recibe un nombre, onda I, II, onda Pa, onda Na, Pb, Nb, etc.. y tiene un amplitud y latencia determinada (absoluta o entre picos consecutivos) que son útiles para valorar la integridad del sistema auditivo y de sus vías de conducción.
Fig. 1. Características principales de los PEA. Latencia y amplitud
Según tales características, se clasifican en potenciales: - De latencia corta. Hasta 10 ms. Representados por las siglas PEAT.
- De latencia media. Hasta 100 ms. Se representan por las siglas PEALM.
- De latencia larga. Son las últimas ondas registradas mas allá de los 100 ms.
Los PEAT son los de más fácil monitorización, pero los menos sensibles a los agentes anestésicos, mientras que los PEALM son los que mas varían con la sedación y sobre los que se pueden estudiar los cambios en relación con el estado anestésico.
2. METODOLOGÍA
En el caso práctico que nos ocupa, las poblaciones muestrales que se han definido para trabajar son cuatro y cada grupo debe cumplir los siguientes criterios: edad entre 18 y 70 años, ambos sexos; no podrán ser embarazadas y que no deberán presentar traumatismo craneal ni afectación del macizo facial por otro motivo así como no padecer enfermedades que afecten al sistema auditivo; no poseer antecedentes psiquiátricos o de toma de psicofármacos en el último mes; no presentar hábito etílico ni contraindicaciones para el uso de Propofol (fármaco hipnótico utilizado).
De los pacientes ingresados en UCI, serán considerados como válidos aquellos que precisen intubación y ventilación mecánica durante un período superior a 24 h..
Serán válidos también los pacientes que precisen intervención quirúrgica de más de una hora de duración y que precisen anestesia general.
Los grupos en los que se divide la pobl. muestral son:
• Grupo I: 15 pacientes de los que se obtiene el patrón de normalidad.
• Grupo II: 15 pacientes en quirófano, para establecer relación entre nivel de profundidad anestésica y la alteración de los PEA.
• Grupo III: 15 pacientes ingresados en UCI. • Grupo IV: 15 pacientes en quirófano.
Se realizará una toma de muestras de sangre venosa a intervalos de tiempo determinados por el equipo médico para la determinación de los parámetros farmacocinéticos de Propofol (Grupo II). Dichos parámetros se utilizarán para la realización y supervisión del asa cerrada y su control (Grupo III y IV).
Los estímulos auditivos consisten en clicks de 0.4 ms de duración, a una frecuencia de repetición de 4 Hz y a un nivel de 70dB por encima del umbral auditivo.
Para la adquisición y cálculo del análisis biespectral del EEG se ha utilizado un monitor A-2000 (BIS) de Aspect Medical Systems. El equipo utilizado para la captura de los PEA ha sido el sistema BIOPAC MP10WSW, equipado con un módulo de captación de respuestas evocadas, ERS100B. Los electrodos de Ag-ClAg se aplican en la mastoides derecha (+), en Fp2 (-), tomando la línea media de la frente como referencia.
La de señal de EEG es muestreada a una frecuencia de 6000 Hz, usando un filtro analógico paso bajo de 3000 Hz. El registro tiene una duración de 100 ms. Posteriormente se incluye un filtrado digital paso banda entre 5 y 300 Hz. Para la extracción de los PEALM se utiliza un promediado de 256 registros.
En la Fig. 2 se muestra un diagrama funcional del instrumental y equipamiento preciso para la adquisición de datos en esta etapa.
Fig. 2. Esquema global de la etapa de adquisición de datos
El software que realiza la adquisición y cálculo del IPA está desarrollado en entorno Labview [4]. La presencia de interferencias dentro del entorno quirúrgico, tales como el sistema de alumbrado, el bisturí eléctrico y el propio movimiento de los cables se han eliminado mediante la implementación de filtros software y algoritmos de rechazo de registros de EEG no válidos.
También se representa el EEG, junto con los PEALM y el IPA. Además de enviar ordenes y recibir los datos del sistema de adquisición, realiza el preproceso de la señal y
posterior promediado, con lo que al final se consigue una mejora en la relación S/N de la señal (pudiendo considerar el EEG como ruido y los PEALM como señal útil).
Finalmente se representa gráficamente, tanto el registro capturado de EEG como los PEALM. Adicionalmente está disponible la opción de grabar la información registrada para su posterior análisis off-line. El diagrama de bloques del software se organiza como se indica en la Fig. 3.
SISTEMA SOFTWARE Sistema Biopac - Genera clicks - Obtiene EEG Filtros Notch y paso-banda Promediado Representación gráfica de PEALM e IPA Grabación de registros EEG e IPA Preproceso y algoritmos de rechazo
Fig. 3. Diagrama de bloques del sistema software
3. RESULTADOS
Los resultados obtenidos con el equipo y el software descrito en el punto anterior muestran la variación de las características tanto del EEG, como de los PEALM durante el desarrollo de una operación con anestesia general. A continuación se representan los PEALM en diferentes etapas de la operación. En las Fig. 4, 5 y 6 se muestran como evolucionan los PEALM desde el inicio de la inducción hasta que el paciente ha perdido la consciencia.
0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 - 6 - 4 - 2 0 2 4 6 T i e m p o ( s ) PEALM ( µ V) R e g i s t r o n º 2 3 2 5 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 - 6 - 4 - 2 0 2 4 6 T i e m p o ( s ) PEALM ( µ V) R e g i s t r o n º 2 5 0 0 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 - 6 - 4 - 2 0 2 4 6 T i e m p o ( s ) PEALM ( µ V) R e g i s t r o n º 3 1 0 0
Fig. 4. Evolución de los PEALM desde el comienzo de la fase de
inducción hasta la pérdida de consciencia. Las fases a las que corresponden los PEALM son: a) entrada al quirófano; b) comienzo de fase de inducción; c) pérdida de consciencia.
En la Fig. 5 se muestra la etapa contraria. Como evoluciona el PEALM desde la etapa de inconsciencia hasta que el paciente abre los ojos por si mismo.
0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 - 6 - 4 - 2 0 2 4 6 T i e m p o ( s ) PEALM ( µ V) R e g i s t r o n º 2 1 8 2 7 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 - 6 - 4 - 2 0 2 4 6 T i e m p o ( s ) PEALM ( µ V) R e g i s t r o n º 2 3 3 0 0 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 - 6 - 4 - 2 0 2 4 6 T i e m p o ( s ) PEALM ( µ V) R e g i s t r o n º 2 3 5 0 0
Fig. 5. Evolución de los PEALM desde la fase de inconsciencia hasta que
el paciente abre los ojos por sí mismo. Las fases a las que corresponden cada PEALM son: a) parada de la administración del fármaco hipnótico; b) recuperación de la consciencia; c) el paciente abre los ojos.
A partir de estas curvas se calcula el IPA de la forma indicada anteriormente. El IPA está representado en la Fig. 6. 0 10 20 30 40 50 60 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Tiempo (min) IPA E V O L U C IÓN DE LA PROFUNDID A D A N E S T É S IC A
Fig. 6. Representación gráfica del IPA. Este índice da una idea de cómo
de profunda es la sedación. En el eje horizontal se mide la duración de la operación, tomando como origen de tiempos el inicio de fase de inducción.
Este índice está representado de forma absoluta. Actualmente se está realizando la toma de datos para tomar un valor de referencia de 0 a 100. En el eje horizontal se representa el tiempo que dura la operación. Se ha tomado como origen de tiempos el inicio de la fase de inducción, es decir, en el momento en que empieza a administrarse el fármaco hipnótico.
4. DISCUSIÓN
A la vista de los resultados obtenidos se comprueba que la curva de PEALM experimenta un cambio de sus características. Durante la fase en la que el paciente está inconsciente (bajo la acción del fármaco hipnótico) la curva de PEALM tiene una forma suavizada mientras que cuando el paciente recupera la consciencia, la forma pasa a ser mas abrupta, es decir, con mas picos.
Dicho comportamiento también es el que presenta el IPA, lo cual es lógico, puesto que este índice está definido como una medida cuantitativa de la curva de los PEALM.
Inicialmente el valor es alto, mientras que durante la fase de pérdida de consciencia se sitúa en torno a un valor aproximado del 25-30% del valor inicial tomado en el origen de tiempos.
Cuando el paciente recupera la consciencia, el IPA crece bruscamente hasta un valor incluso superior al valor inicial. Esto puede ser debido a que una vez que se tiene constancia de que el paciente está despierto, el equipo médico le llama por su nombre para asegurarse de que está consciente, lo cual puede provocar que los estímulos auditivos no sean únicamente los clicks de 0.4 mseg. de duración. De esta forma, la curva obtenida no sería un PEALM, y por lo tanto el valor que refleja el IPA sería superior al que se obtendría con un único estímulo.
Pasado este trámite el IPA descendería de nuevo hasta un valor cercano al valor inicial. Esto se comprueba a la vista de la Fig. 6.
5. CONCLUSIONES
Como principal conclusión cabe indicar que se ha implementado un sistema capaz de capturar el EEG y medir la profundidad anestésica mediante un índice, denominado IPA. Este índice sería capaz de predecir incluso cuando un paciente está recuperando la consciencia, puesto que experimenta un crecimiento muy elevado en relación al valor obtenido mediante anestesia general.
El software para el desarrollo de este equipo ha sido elaborado en entorno Labview, lo cual permite su modificación de un modo sencillo. Las pruebas realizadas con pacientes, tanto los ingresados en UCI como los sometidos a actos quirurgicos y siempre bajo control médico de especialistas, han demostrado su idoneidad en cuanto al uso de esta técnica como sistema de evaluación de la profundidad anestésica.
Por último, indicar que este equipamiento, junto con el proceso y resultados descritos forman parte de un proyecto más amplio aún no finalizado. En orden a completar dicho proyecto los pasos que a continuación deberán ser implementados podrían ser:
- Obtener el patrón de normalidad que permita referenciar el IPA a un valor de 100.
- Correlación de este índice con un análisis biespectral del EEG y con el estudio farmacocinético llevado a cabo de forma paralela a la captación de los PEALM.
- Utilizar este indice para un posible control automático de una bomba de perfusión que administraría el fármaco hipnótico utilizado. - Evaluación conjunta, como elemento de
comparación, con métodos entrópicos.
AGRADECIMIENTOS
Este estudio está incluido dentro de un proyecto de investigación que ha sido galardonado con el premio otorgado por la Sociedad Española de Medicina Intensiva, Crítica y Unidades Coronarias, en el año 2000, y patrocinado por SIEMENS, S.A..
Los autores quieren hacer constar la ayuda recibida del programa de formación y movilidad del profesorado de la Universidad Politécnica de Cartagena, de un investigador convocatoria PFMP-UPCT-2000., para realizar una estancia con el profesor Juan Fco. Guerrero, de la Universidad de Valencia (España).
REFERENCIAS
[1] D. Schwender, C. Madler, S. Klasing, K. Peter, and E. Poppel. “Do auditory evoked potentials measure depth of anesthesia?”. Theor.
Surg., vol. 8, pp. 29-37, 1993.
[2] H. Mantzaridis and G.N.C. Kenny. “Auditory evoked potential index: a quantitative measure of changes in auditory evoked potentials during general anaesthesia”. Anaesthesia, vol.52, pp. 1030-1036, 1997.
[3] C. Thornton. “Evoked potentials in anaesthesia”. European Journal of Anesthesiology, vol. 8, pp.89-107, 1991.
[4] A.M. Lázaro. “Labview: Programación gráfica para el control de instrumentación”. Ed. Paraninfo, Madrid 1997
BIBILIOGRAFÍA RELACIONADA
[5] M. Elkfafi, J.S. Shieh, D.A. Linkens and J.E. Peacock. “Intelligent signal processing of evoked potentials for anaesthesia monitoring and control”. IEE PROC.- Control Theory Appl., vol 144(4), pp.354-3609, 1997.
[6] D.A. Linkens, M.F. Abbod, and J.K. Backory, “Closed-loop control of depth of anaesthesia: A simulation study using auditory evoked responses”. Control Eng. Practice, vol. 5(12), pp.1717-1726, 1997. [7] Y-Y Lu ,J.W. Huang and R.J. Roy. “Estimation of depth of anesthesia using the midlatency auditory evoked potentials by means of neural network based multiple classifier system”.
Proceedings of 19th International Conference IEEE/EMBS,
Chicago, October, pp.1100-1103, 1997.
[8] A. Nayak, R.J. Roy. “Anesthesia control using midlatency auditory evoked potentials”, IEEE Trans. Biomed. Engin., vol.45(4), pp. 409-421, 1998.
USING AUDITORY EVOKED POTENTIALS WHEN
MEASURING DEPTH OF ANAESTHESIA: A STUDY CASE
ABSTRACT
This paper shows the first results obtained in the initial stage of a research project developed by a mixed engineering-medical team: “Depth of Anesthesia Closed-loop Control for surgery based on auditory evoked potentials analysis”. Auditory evoked potentials (AEP) have shown to be useful indicators when monitoring depth of anaesthesia. Those potentials experiment significant changes in their morphology and characteristics due to changes in the patient degree of consciousness. The AEPs have been recorded using a custom software, developed under Labview.
