بخشی از مقاله
خلاصه
تعیین عمق بیهوشی به طریقی که بتوان با توجه به آن بیهوشی متعادلی را برای بیمار فراهم و از بیداریهای حین عمل و از سوی دیگر عمیق شدن زیاد بیهوشی وی جلوگیری کرد از موضوعات مورد علاقه متخصصین بوده است. از آنجایی که مرکز اصلی تأثیر داروهای بیهوشی در مغز است، محققین امواج مغزی بیمار را به منظور مطالعه بیهوشی او مورد تجزیه و تحلیل قرار داده اند.ایجاد عمق بیهوشی مطلوب در عمل جراحی نه تنها تضمینی بر عدم ادراک و به یادآوری درد است بلکه سبب می شود به هوش آمدن بیمار پس از عمل جراحی نیز با سهولت بیشتری انجام پذیرد که این امر، امنیت فرایند بیهوشی را افزایش می دهد.
ایجاد عمق بیهوشی مطلوب با کنترل میزان اعمال داروی هوشبر به بیمار صورت می پذیرد. اعمال میزان بیش از حد داروی بیهوشی سبب می شود که به هوش آمدن بیمار دچار اختلال گردد و از سوی دیگر به کار گرفتن میزان داروی کمتر از حد لازم باعث می شود بیمار تحریک های دردآور ناشی از عمل جراحی را ادراک نماید. هدف این است که با استفاده از کمترین مقدار دارو، عمق مطلوب بیهوشی در بیمار ایجاد گردد. در این مقاله، برای کنترل عمق بیهوشی و تعیین مقدار داروی تزریقی از دو کنترل کننده PID مرتبه صحیح و PID با دو درجه آزادی استفاده ونتایج به دست آمده با یکدیگر مقایسه شده است.
.1 مقدمه
تا کنون روشهای کنترلی بسیاری برای کنترل عمق بیهوشی ارائه شده است. ازآن جمله؛ میتوان به کنترلکنندههای کلاسیک PID اشاره کرد.کنترلکنندههای PID به طور گستردهای در صنایع و تحقیقات برای کنترل فرایندهای مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. درمراجع [1-5] از کنترلکننده PID مرتبه صحیح برای کنترل عمق بیهوشی استفاده شده است.
کنترلکننده PID مرتبه صحیح، دارای ساختار ساده و روشهای تنظیم شناخته شدهای است. در مراجع مذکور عملکرد مقاوم کنترل PID، بررسی نشده و علاوه بر آن تضمینی برای حداقل شدن سیگنال خروجی کنترلکننده، ارائه نگردیده است. در مراجع [6-8] از روشهای کنترل تطبیقی برای کنترل عمق بیهوشی استفاده گردیده و عملکرد روشهای پیشنهادی به صورت آزمایشگاهی و عملی نیز بررسی شده است. در روشیهاکنترل تطبیقی، با فرضِ ثابتِ نامعلوم بودن پارامترهای سیستم، وابستگی الگوریتم کنترل به مدل سیستم کاهش مییابد؛ اما عملکرد مقاوم این روش در کنترل فرایندِ با اغتشاش و پارامترهای متغیر با زمان، یک چالش در طراحی محسوب می گردد.
روشهای کنترل هوشمند مانند فازی و شبکههای عصبی دارای مزایای بسیاری میباشند. به طور معمول، در امر کنترل، از شبکههای عصبی و سیستمهای فازی، برای تخمین توابع نامعلوم در دینامیک سیستم استفاده میشود. در مراجع [9-14] از روشهای هوشمند برای کنترل عمق بیهوشی استفاده شده است. با وجود مزایای بسیار زیاد این روشها؛ اما حجم محاسبات بالا و تضمین پایداری این سیستمها، از مشکلات پیاده سازی میباشد. کنترل پیشبین، نوعی کنترل بهینه است که سیگنال کنترل با حداقل کردن یک تابع هزینه - که به طور کلی وابسته به خطای ردیابی و سیگنال کنترلی است - به دست میآید.
کنترلکنندههای پیشبین، دارای این توانایی هستند که قید بر روی سیگنال کنترل را نیز در امر طراحی بگنجانند. در مرجع [15] از کنترلکننده پیشبین مبتنی بر مدل، برای کنترل عمق بیهوشی استفاده شده است. خروجی کنترلکننده که در واقع میزان دوز داروی تزریقی است؛ در این مرجع، محدود و مقید در نظر گرفته شده و کنترل پیشبین به نحوی به دست آمده که این قید نیز برآورده گردد؛ اما بررسی عملکرد مقاوم سیستم در این تحقیق آورده نشده وهمچنین مقاومت سیستم در برابر عدم قطعیتها نیز بررسی نشده است.
روشهای کنترل مرتبه کسری، به عنوان تعمیم سیستمهای کنترل مرتبه صحیح در سالهای اخیر مورد توجه محققین قرار گرفته است .[16] در واقع، محققین با تعمیم مفاهیم مشتق و انتگرال مرتبه کسری به مرتبه صحیح، به دنبال به دست آوردن عملکرد بهتر سیستمهای کنترل مرتبه کسری نسبت به مرتبه صحیح هستند.در این مقاله، برای کنترل عمق بیهوشی و تعیین مقدار داروی تزریقی از دو کنترل کننده PID مرتبه صحیح و PID با دو درجه آزادی استفاده ونتایج به دست آمده با یکدیگر مقایسه شده است.
مطالب این مقاله به صورت زیر مرتب شده است.در ادامه و در بخش دوم، مدلسازی توزیع و تأثیر داروی بیهوشی ارائه گردیده است.در بخش سوم مقاله، به موضوع طراحی دو کنترل کننده PID مرتبه صحیح و PID با دو درجه آزادی پرداخته می شود. بخش چهارم به شبیه سازی این دو کنترل کننده اختصاص یافته است.در پایان، نتایج به دست آمده در بخش پنجم جمع بندی و پیشنهاداتی نیز به منظور جهت گیری تحقیقات در آینده بیان شده است.
.2 مدلسازی توزیع و تأثیر داروی بیهوشی
امروزه فرایند بیهوشی به یکی از اجزای مهم و جدایی ناپذیر عمل های جراحی تبدیل شده است. علی رغم پیشرفت هایی که در زمینه دستگاههای پایش علائم حیاتی بیمار انجام شده است کنترل عمق بیهوشی بیمار توسط فرد متخصص انجام می شود. متخصص بیهوشی با به کار گیری دانش و تجربیات شخصی خود نرخ داروی لازم برای تزریق به بیمار را تعیین می کند. لذا بروز خطا در تعیین نرخ داروی تزریقی به بیمار به واسطه وابستگی به فرد متخصص اجتناب ناپذیر است.گاهی اوقات این اشتباهات منجر به لطمات جبران ناپذیری می شود، از این رو بحث کنترل خودکار بیهوشی مطرح گردیده است.
تعاریف مختلفی برای عمق بیهوشی وجود دارد.در این تحقیق ، منظور از عمق بیهوشی عدم هوشیاری است که روش های مختلفی برای تعیین آن وجود دارد. ثابت شده است که سیگنال الکتروانسفالوگرام - EEG - حاوی اطلاعاتی است که می تواند بیانگر عمق بیهوشی باشد.ابزارهای پردازشی مختلفی جهت استخراج معیار واحد برای این منظور استفاده شده اند که از میان آن ها BISمعیار* نسبتاً خوبی است و در این مقاله به عنوان شاخصی از عمق بیهوشی در نظر گرفته شده است.BIS بین 0 تا 100 مقیاس بندی می شود که مقدار 100 نشان دهنده حالت بیداری است. با افزایش غلظت هوشبرها، شاخص افت پیدا می کند.
بیهوشی عمومی برای شاخص مابین 60 تا 40 حاصل می شود و مقادیر کمتر نشان دهنده حالت بیهوشی عمیق تر است. در این مقاله، مقدار شاخص بیهوشی مطلوب برابر با 50 فرض شده و کنترل کننده برای تنظیم شاخص بیهوشی در آن، طراحی و تنظیم شده است. متخصصان معمولاً از داروهای هوشبر، مسدود کننده عصبی- عضلانی برای بیهوشی استفاده می کنند. در این جا جهت ساده سازی فرض شده است که تنها از پروپوفول که یک داروی هوشبر وریدی است استفاده شده است.یکی از ویژگی های خاص پروپوفول توزیع و متابولیسم سریع آن است.
برای بیان ارتباط دوز داروی تزریقی - هوشبر پروپوفول - و اثر مشاهده شده در بیمار - BIS - از مدل فارماکوکینتیک-فارماکودینامیک - PK-PD - استفاده میگردد. فارماکوکینتیک شاخه ای از علم دارو شناسی است که به بررسی توزیع دارو در بدن می پردازد. پدیده دریافت دارو، پخش و حذف آن می تواند به صورت ریاضی بیان شود. در این جا بخش فارماکوکینتیک - PK - با مدل سه بخشی نشان داده شده است. در مدل سه بخشی بدن به سه بخش تقسیم می گردد. یک بخش کوچک مرکزی شامل خون شریانی و بافتهای پر تزریق مانند مغز و کبد. یک بخش بزرگ شامل ماهیچهها و احشاء. یک بخش که اساساً شامل چربیها و استخوانها میباشد.
