儿童异丙酚麻醉鲁棒pidcontrol的设计与临床评价外文翻译资料

 2022-01-04 22:02:42

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儿童异丙酚麻醉鲁棒pidcontrol的设计与临床评价

摘要

本文介绍了一种用于儿童异丙酚输注的鲁棒比例积分微分控制器的设计，并给出了该闭环系统在6-17岁儿童内镜检查中的临床评价结果。控制器的设计基于一组模型，该模型描述了研究人群中异丙酚输注反应的患者间变异性。对PID控制器进行调整，以获得足够的鲁棒性裕度，以满足所确定的不确定性。108名儿童被纳入本研究，102例患者的麻醉采用闭环控制。该系统的临床评价表明，以wavcns指数为评价指标，对儿童麻醉诱导和维持进行闭环控制是可行的。一个稳定的PID控制器可以适应儿童的病人间变异性，大多数受试者都能保持自主呼吸。

介绍：异丙酚是一种常用于麻醉诱导和维持的静脉麻醉药物。在手术室进行全身麻醉时，异丙酚常与瑞芬太尼等快效类阿片结合使用[2]。个人对异丙酚和瑞芬太尼输注的反应在成人中差异很大，在儿童中差异更大[3]。异丙酚和瑞芬太尼合用有协同作用。麻醉药物的剂量不足可能导致意识不清或镇痛不足。过量使用可能导致患者停止呼吸，并可能导致心血管衰竭。因此，麻醉师持续监测患者状态并相应调整药物剂量，以平衡麻醉状态、自主功能和对有害刺激的反应。

静脉麻醉中的药物输注速率传统上由麻醉师手动控制。计算机辅助开环输注系统称为靶控输注（TCI）系统，在市场上可买到。TCI系统使用基于人群的药代动力学1和药效学2模型来计算足够的输注曲线，以达到麻醉师定义的药物浓度。为了适应患者间的差异性，麻醉师需要调整目标浓度。药物输注的闭环控制有可能降低患者间变异性的影响，改善对全身麻醉状态的控制[4]。一些成人临床研究表明，基于催眠深度（DOH）连续测量的异丙酚输注闭环控制的可行性。由于担心这些系统的安全性和传感器的可靠性，这些研究对临床实践几乎没有影响。此外，为了使临床医师相信闭环控制系统的好处，还需要对改善的患者结果进行演示。

患者对异丙酚输注的个体反应存在较大的差异性，这是闭环系统安全性值得关注的一个重要原因。在一些临床试验中观察到振荡行为，例如评估比例积分微分（PID）控制器[15]和神经自适应控制器。为了使临床医生和监管机构能够广泛接受闭环系统，需要保证系统的稳定性和性能。仿真结果表明，设计一个闭环药物输送系统来控制DOH是可行的，该系统在存在显著的患者间变异时具有鲁棒性[17]。利用鲁棒控制技术和描述患者间变异性的模型相结合[18]，尽管存在很大的变异性，但仍可实现闭环系统的稳定性和性能。本临床研究的目的是：1）使用wavcns指数（美国克利夫兰高地神经波系统公司的NeuroWave Systems公司的NeuroWave Monitor，NeuroWave Systems Inc.）作为临床效果的度量，验证对儿童异丙酚输注进行鲁棒PID控制的可行性；2）证明一个功能强大的PID控制器能够适应大的患者间变异性。在该患者组中观察到，以及3）评估通过鲁棒PID控制可以实现的性能。本文介绍了控制器的设计过程，并给出了具体的技术细节。

本文的组织结构如下。第二节概述了麻醉中的闭环控制，并描述了系统要求以及临床研究中使用的硬件。控制器设计，包括不确定度的量化，在第三节中有详细说明。临床研究和临床结果在第四节中有描述。第五节中讨论了实现的性能和局限性。第六节给出了结论。

二失去控制-在巢穴中失控

A.麻醉控制综述

全身临床麻醉的状态是催眠（也称麻醉）、镇痛（支持）-伤害性刺激）3和肌肉放松。从这三个临床麻醉成分、催眠深度控制-nosis在自动化研究中引起了广泛的关注。[7]–[11][13][16]。最近开发的DOH监视器，例如作为双谱指数（BIS）监测和神经感觉监测人员提供适合控制的DOH措施。四伤害感等效监测仪尚未研究用于闭环控制。因此，大多数临床研究仅限于DOH的控制，并使用手动控制或类阿片输液的TCI方案。两者控制的可行性异丙酚和瑞芬太尼滴注DOH及镇痛作用根据测量的DOH反馈，已经显示最近[5]、[6]。肌肉松弛的控制可以分开从控制DOH和伤害性神经肌肉阻滞与麻醉药物没有明显的相互作用，并且阿片类药物，本文不作论述。

已评估的闭环控制系统-在控制策略和实验装置上差异很大。在一些研究中，麻醉维持是关闭的。-循环控制，麻醉诱导打开-使用TCI方案[10]、[13]或手动控制回路受控[11]，[20]。麻醉诱导是闭环的。控制在[8]。一些系统使用TCI作为闭环系统，其中闭环控制器调节基于反馈的目标浓度设定点从临床效果的测量[8]–[10]。

比较闭环控制麻醉和开环策略的随机临床试验显示闭环控制麻醉的潜力。在使用启发式调谐控制器的临床试验中观察到的稳定性问题以及对患者间变异性缺乏鲁棒性的控制器也提高了对图1的认识。（a）pkpd模型结构。其次是由线性一阶传递函数和非线性希尔函数组成的PD模型。（b）开环异丙酚麻醉示意图。u（t）是麻醉师设定的输注速率。输液泵向患者输送异丙酚。在这项临床研究中，阿片类瑞芬太尼与异丙酚一起使用，虚线表示。这个DOH监护仪提供临床效果的测量（wavcns（t））。程序（d（t））的刺激和测量噪声（n（t））都会影响测量的wavcns。间接性的需要。本文所描述的临床研究旨在证明，如果控制器的整定基于鲁棒控制原理，并且明确考虑了患者间的变异性，一个简单的PID控制器可以为儿童DOH提供鲁棒控制。量化病人间的变异性对于这种稳健的方法是至关重要的。

B.异丙酚麻醉特点

异丙酚对DOH的影响是传统的mod。-电致发光室药动学PKPD）模型。pk模型与异丙酚输注有关。血浆浓度c p（t）的比率。局部放电模型与临床效果相关。LTI 模型描述碳磷（t）与作用部位浓度的关系c e（t），c e（t）与临床疗效e（t）的关系为由非线性希尔函数描述，如图1（a）所示。开放式异丙酚麻醉的方块图-回路如图1（b）所示。输液动力学假设泵可以忽略不计。病人的反应是非线性[见图1（a）]。在这项临床研阿片类药物除异丙酚外，还服用瑞芬太尼。什么时候异丙酚和瑞芬太尼合用后，有一个综合征。-能量效应。麻醉镇痛的临床效果药剂受到伤害性刺激的影响程序，d（t）。伤害降低了临床效果和因此不能假定为零均值。对hellip;的反应这种失调取决于镇痛的程度。这个测量噪声的特性受神经感觉过滤器设置，因此表示为n（t）在DOH监视器前进入系统。

在上下两个阶段对控制器进行评估。胃肠内镜检查，其中手术刺激是有限的。麻醉师试图在整个过程中保持患者自主呼吸。病例。因为深度麻醉与呼吸暂停有关，所以特别重要的是要限制多哈谈判的超调麻醉诱导，同时保持可接受的短时间诱导持续 时间。苏醒患者缓慢静脉输注异丙酚与疼痛有关，尤其是儿童[21]。因此，设计需要提供足够的异丙酚输注。对病人来说异丙酚输注开始时限制不适的速率。

C.催眠监测深度几种评价闭环系统的临床研究异丙酚输注使用BIS监测仪进行反馈。

监护仪的动态变化对状态进行了检查，其中可变时间延迟（14-66秒）被发现。在某些情况下，BIS监视器显示超调量麻醉状态转换。非线性与时滞-传感器降低了可实现的控制性能在闭环系统中。在线延时估计中建议补偿可变bis延迟用于闭环控制。在本研究中，wav-cns指数由神经感觉监测仪用反馈。这个监视器是专门为闭环控制开发。WAV中枢神经系统算法是确定性的[24]，监视器动态是线性，时不变（LTI），由已知的趋势滤波器确定。

D.IControl软件平台一个软件平台（IControl）是为控制器设计的临床评估。

该软件被加拿大卫生部批准进行临床评估。6iControl平台使用来自Neurosense DOH的反馈监视器和异丙酚通过Alaris Tiva输液输送。泵（Carefusion，圣地亚哥，加利福尼亚州，美国）连接到静脉注射线。该系统通过触摸屏操作。并接受了广泛的可用性研究在临床研究之前。除了鲁棒PID控制器，IControl还包含必要的安全层并从物理层收集实时数据-手术室的人工监视器。它提供了有听觉和视觉反馈的麻醉师。在每一个病例，来自控制系统和生理学的数据每秒钟记录一次监视器。如果没有可靠的wav-cns测量可用，系统自动切换到回退模式。整个系统如图2所示。在本研究中，第二个输注装置不与IControl系统，用于瑞芬太尼输液

三、

控制器设计a.患者间变异性的量化准确描述药物的患者间变异性灵敏度是设计鲁棒控制器的关键。多哈。基于人口的DPKPD模型提供平均模型以及模型参数的标准偏差，但不提供完整的准确描述不确定性集。此外，可用pk的有效性儿童的PD模型也在争论中[3]。初始PID因此，本临床研究的控制器设计是基于从开环数据中识别出的一组模型麻醉诱导期间。在机构道德委员会批准后，数据回顾性分析30例儿童全静脉麻醉的选择性普外科手术。异丙酚和瑞芬太尼作为初始给药。然后持续输注，手动控制麻醉师。记录异丙酚输注率。手动。每秒记录一次wav-cns指数。在每个案例中。由刺激引起的干扰通过手术降低临床效果，且不是零。平均。仅限因此类干扰而产生的模型偏差丙泊酚输注开始后8分钟的数据用于模型识别。显示前8分钟对刺激的强烈反应是丢弃的14名受试者的数据集具有足够的质量。

建立了基于pkpd模型结构的模型。对于这14个数据集中的每一个。血浆浓度校

根据异丙酚输注曲线进行计算。使用paedfusor pk模型。PD模型参数对于14个个体，采用两步识别法-确认程序。在这种方法中，线性近似麻醉诱导时的反应在第一个识别步骤。在第二个识别步骤中，确定了模型结构的非线性。使用这种方法确定的模型预计低估非线性，高估延时。因此，异丙酚输注反应的变异性是主要由线性动力学描述，模型可以用于线性鲁 棒控制器的设计。细节模型研究和模型验证见。.鲁棒PID控制器设计一组14个主题模型提供了有限的表示全研究人群的不确定性。控制器设计较为保守，主要针对稳健性裕度，优先考虑安全性而不是紧设定点跟踪。

对PID控制器进行了调整，以找到合适的性能和鲁棒性之间的平衡[1]。手册

将线性化模型与时间相结合形成环使用非线性模型进行领域性能评估。14个模型被线性化用于麻醉诱导7生产一套LTI植物模型[26]。博德图这些线性化模型如图3所示。健壮性

基于循环函数的频域评价对于14个线性化模型和实现的相位和增益利润率。性能评估基于时间域模拟麻醉诱导和14个非线性模型对干扰抑制的响应。

控制器的采样时间被选为h=5 s。测量的wav-cns指数被一秒钟过滤。-阶滤波器，时间数t filt=15 s衰减高频测量噪声。设定点低-通过时间常数t sp=25 s的过滤。此外，设定点被排除在导数作用路径之外，通常在设定点避免控制信号峰值变化。积分器反上卷是通过条件实现的。集成；当执行器饱和了。派生筛选器的状态已初始化到一个非零值导致一个小团，以减少异丙酚输注疼痛持续时间。控制器输入为WAV CNS指数。控制器输出为输入速率

10毫克/毫升异丙酚溶液的毫升/小时。控制器增益为按患者体重缩放，这是手工操作的标准。也是儿童pkpd模型的基础。这就是只有人口统计学上的调整，其他固定的控制器。

初始控制器设计的PID参数（并联形式）为k=minus;5.4/100 m，t i=225 s，t d=33 s，其中m为受试者的体重，单位为千克。此控制器结果中间增益裕度为8.3，中间相位裕度65度。患者间变异性反映在边际的范围：增益边际、中值（最小、最大）8.3（4.0,25.2），相位裕度65（52,72），最大值灵敏度函数的模量（m s）1.2（1.1,1.5），以及延迟裕度286（209412）s.最坏情况增益和相位边缘分别为4.0度和52度。预计关闭-14非线性麻醉诱导的环路反应由该PID控制器控制的模型如图4所示。

控制器重新调整临床评估后评估控制器性能。23例。世界卫生组织在麻醉维持期间是稳定的利润被认为在很大程度上足以满足这组患者。麻醉诱导时的平均超调量是10个，最坏的情况是超过20个wav中枢神经系统单位。控制器被重新调整以减少感应时间和根据需要在诱导开始时增加药物剂量并提高麻醉师表现。注意，超调量大于模拟如图4所示。这可以用开环和闭环的不同实验条件麻醉诱导。由于系统的非线性与这种非线性结构有关的可识别性问题模型的预测精度取决于实验条件[26]。其他模型是从采集闭环数据，重新设计控制器基于开环和闭环模型

患者间变异性的量化：数据来自使用异丙酚输注开始后的前10分钟。用于识别。九个数据集显示出强烈的反应在异丙酚输注开始后的前10分钟内，为了减少模型偏差，我们放弃了刺激。干扰。确定了14个模型（见中的细节）。因此，控制器重新设计的模型集

包括28个模型，其中14个模型来自开环数据。2）控制器重新设计：控制器重新设计为

提高感应速度，提高对刺激的反应-在病例开始时增加异丙酚的

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资料编号：[2274]

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