University of Oulu

EEG-based depth of anesthesia measurement : separating the effects of propofol and remifentanil

Saved in:
Author: Kortelainen, Jukka
Organizations: University of Oulu, Faculty of Technology, Department of Computer Science and Engineering
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.1 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789514294853
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2011
Publish Date: 2011-08-16
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Faculty of Technology of the University of Oulu for public defence in OP-sali (Auditorium L10), Linnanmaa, on 26 August 2011, at 12 noon
Tutor: Professor Tapio Seppänen
Reviewer: Professor Jamie Sleigh
Professor Tarmo Lipping
Description:

Abstract

Within the last few decades, electroencephalogram (EEG) has become a widely used tool for the automatic assessment of depth of anesthesia. The EEG-based depth of anesthesia measurement has been associated with several advantages, such as a decreased incidence of intraoperative awareness and recall, faster recovery, and reduced consumption of anesthetics. However, the measurement is challenged by simultaneous administration of different types of anesthetics, which is the common practice in the operating rooms today. Especially, the assessment of depth of anesthesia induced by supplementing the primary anesthetic drug, i.e. the hypnotic agent, with an opioid has been raised as one of the major problems in the field.

In this thesis, the EEG-based depth of anesthesia measurement during multidrug infusion with propofol (hypnotic agent) and remifentanil (opioid) is addressed. The problem is approached by first giving a quantitative description for the EEG changes occurring during propofol infusion. Two different methods, both utilizing the spectral properties of EEG, for this are presented. Next, the effects of remifentanil on the clinical signs and EEG changes during propofol infusion are investigated by applying the first one of the presented methods. Coadministration of opioid is shown to significantly modify the mutual relations of the EEG changes and the clinical signs of the patient. Furthermore, remifentanil is found to significantly affect the EEG itself, more specifically, the power spectrum and derived quantitative parameters during propofol infusion. This effect is strongly dependent on the level of anesthesia. Finally, by utilizing the results on the effects of remifentanil, a technology is developed for the assessment of depth of propofol-remifentanil anesthesia. The technology is based on improving the determination of the anesthetic state of the patient by EEG-based separation of the effects of propofol and remifentanil.

The thesis provides a framework for the depth of anesthesia measurement during multidrug administration with propofol and remifentanil. Due to the similar mechanisms of action, the results are likely to be generalizable to other hypnotic-opioid drug combinations. The study thus offers potential for the development of more advanced systems for automatic monitoring of depth of anesthesia.


Tiivistelmä

Viime vuosikymmeninä elektroenkefalogrammista (EEG) on tullut suosittu apuväline anestesian syvyyden automaattisessa seurannassa. EEG-pohjaisella anestesian syvyyden mittauksella on saavutettu useita hyötyjä: sillä on pystytty esimerkiksi vähentämään leikkauksen aikaista hereillä oloa, pienentämään anesteettien kulutusta sekä nopeuttamaan anestesiasta palautumista. Mittaus on kuitenkin haasteellista yhdistelmäanestesiassa, jossa useampaa erityyppistä anesteettia käytetään samanaikaisesti. Erityisesti nykyisin yleisesti käytössä oleva tapa täydentää pääasiallista anesteettia eli hypnoottia opioidilla on nostettu yhdeksi merkittävimmistä haasteista automaattisessa anestesian syvyyden mittauksessa.

Väitöskirja käsittelee EEG-pohjaista anestesian syvyyden mittausta käytettäessä propofolin (hypnootti) ja remifentaniilin (opioidi) yhdistelmää. Ongelmaa lähestytään antamalla aluksi kvantitatiivinen kuvaus propofoli-induktion aikana ilmeneville EEG-muutoksille. Tähän tarkoitukseen esitetään kaksi menetelmää, joista molemmat hyödyntävät EEG:n taajuussisältöä. Seuraavaksi remifentaniilin vaikutusta potilaan kliinisiin merkkeihin sekä EEG-muutoksiin propofoli-infuusion aikana tutkitaan soveltamalla ensimmäistä esitetyistä menetelmistä. Opioidin osoitetaan vaikuttavan merkittävästi EEG-muutosten ja kliinisten merkkien väliseen yhteyteen. Lisäksi remifentaniilin todetaan vaikuttavan merkittävästi myös propofoli-infuusion aikana ilmeneviin EEG-muutoksiin. Vaikutus heijastuu signaalin tehotiheysspektriin sekä siitä johdettuihin kvantitatiivisiin parametreihin ja on vahvasti riippuvainen anestesian syvyydestä. Lopuksi, hyödyntämällä tuloksia remifentaniilin vaikutuksista, esitetään teknologia propofoli-remifentanilli-yhdistelmäanestesian syvyyden mittaukseen. Teknologia perustuu propofolin ja remifentaniilin vaikutusten EEG-pohjaiseen erotteluun ja tätä hyödyntäen potilaan anestesian syvyyden tarkempaan määrittämiseen.

Väitöskirja tarjoaa tarvittavan tutkimustiedon sekä teknologian propofoli-remifentanilli-yhdistelmäanestesian syvyyden mittaukseen. Samankaltaisten vaikutusmekanismien vuoksi tulokset on mahdollista yleistää myös muille hypnootti-opioidi-lääkeyhdistelmille. Tutkimus avaa näin uusia mahdollisuuksia kehittää edistyneempiä anestesian syvyyttä automaattisesti seuraavia järjestelmiä.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-951-42-9485-3
ISBN Print: 978-951-42-9484-6
Issue: 385
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.