بخشی از مقاله
خلاصه
ایجاد عمق بیهوشی مناسب، بیداری و ریکاوری سریع بیمار، همیشه از موضوعات مورد علاقه دست اندرکاران حرفهی بیهوشی بوده است. در صورت غفلت از کنترل دقیق عمق بیهوشی، احتمال بروز حالاتی چون هشیاری ناخواسته در حین عمل جراحی و یا عدم بازگشت بیمار به هشیاری وجود دارد. به منظور پیشگیری از حوادث فوق، به کارگیری روش هائی هوشمند و مبتنی بر سیگنال های فیزیولوژیک بدن گزینه ای مناسب به شمار می آید.
هدف اصلی داروهای هوشبری، اثرگذاری بر روی فعالیت سیناپسی نرون های سیستم اعصاب مرکزی می باشد که منشأ اصلی تولید امواج مغزی و سیگنال الکتروانسفالوگرام است. لذا، در سال های اخیر توجه ویژه ای به پردازش سیگنال الکتروانسفالوگرام به منظور تخمین عمق بیهوشی شده است.
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 کسری و کنترل کننده مرتبه کسری که مبنای طراحی آن روش سوم CRONE است استفاده گردیده و در پایان، نتایج به دست آمده با یکدیگر مقایسه شده است. مدل مورد استفاده در این مقاله تاکنون برای کنترل عمق بیهوشی با رویکرد کنترل کننده مرتبه کسری به کار نرفته 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 روشهای کنترل تطبیقی،فرضِبا 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
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 کسری و کنترل کننده مرتبه کسری که مبنای طراحی آن روش سوم CRONE است استفاده گردیده و در پایان، نتایج 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 کسری و کنترل کننده مرتبه کسری با استفاده از روش سوم CRONE ، 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
فرایند بیهوشی، کار دشوار و پیچیده ای است؛ زیرا بیهوشی در واقع سفری است که تا مرز مرگ پیش میرود و این وظیفه خطیر بر عهده متخصصین بیهوشی است که مرزهای بین مرگ و زندگی را بشناسند و بیمار را بعد از پایان جراحی، به زندگی قبلی بازگردانند. استفاده از داروهای هوشبر با دوزهای مشخص، مسکنهای تسکین درد و شلکننده عضلانی، همگی لازمه یک بیهوشی مناسب میباشند. چه بسا بیمار در حین بیهوشی به خواب میرود؛ اما به دلیل عدم سرکوب مناسب درد و درک حسی، در حین عمل درد داشته باشد.
در روشهای معمول، متخصصین با توجه به تجربه و مهارت خود، دوزی از داروی بیهوشی را تجویز کرده و با مشاهدهی علائم بالینی وکلینیکی بیمار؛ مانند تغییرات فشار خون، میزان ضربان قلب، وضعیت مردمکها، میزان تعریق، ریزش اشک از چشم، حرکت اندام و... تخمینی از میزان عمق بیهوشی بیمار به دست میآورند. از آنجا که این علائم، همیشه در دسترس نبوده و علاوه بر داروهای بیهوشی، سایر داروها از جمله مسکن نیز به بیمار تزریق میشود، چندان قابل اعتماد نیستند؛ نیاز به وجود روشیکه بازگو کنندهی تغییرات سیستم اعصاب مرکزی باشد از دیرباز وجود داشته است.
از آنجا که سیستم اعصاب مرکزی * CNS هدف اصلی داروهای بیهوشی است؛ مغز و به طور خاصتر سیگنال الکتروانسفالوگرام - EEG - ، مورد توجه ویژه محققین بیهوشی قرار گرفته است. این سیگنال، از فعالیت الکتریکی نورونها ناشی میشود و دارای باندهای معروف و آشنایی است که عمده انرژی سیگنال در آنها متمرکز است. در سالهای اخیر، چندین مانیتور هوشیاری مبتنی بر EEG توسعه یافته است که میتوان به مهمترین آنها به عنوان مانیتورBIS اشاره کرد.
پروپوفول یکی از داروهای هوشبر داخل وریدی بدون اثرات ضد درد است. بازگشت سریعتر هوشیاری با حداقل آثار باقی مانده بر دستگاه عصبی مرکزی، کاهش دارو و کاهش بروز تهوع و استفراغ بعد از عمل، مقبولیت ویژهای را برای پروپوفول در مقایسه با سایر هوشبرها به دست آورده است. از طرفی، این دارو برای هر دوفاز القاء و نگهداری بیهوشی مناسب است. از این رو در این مقاله فرض بر این است که از پروپوفول برای هر دو فاز القاء و نگهداری بیهوشی استفاده می شود.
در طی دهههای گذشته، علم مهندسی برای حل بسیاری از مسائل پزشکی و دارویی به کار برده شده و اخیراً مسأله کنترل اتوماتیک بیهوشی مورد توجه بسیاری قرارگرفته است.برای اینکه بتوان کنترل کننده مناسب برای کنترل عمق بیهوشی طراحی کرد، لازم است که مدل دقیقی از فرایند و نوع داروی بیهوشی داشته باشیم. برخی از علائم حیاتی بیمار، در حین عمل جراحی غیر قابل اندازهگیری میباشد؛ بنابراین مدل معرفی شده با استفاده از سایر پارامترها به دست خواهد آمد. با به کارگیری دانش ریاضی و پزشکی، مدلهای مختلفی برای این مسأله ارائه شده است.
در این مقاله، هدف، به کار گیری مدلی استاندارد از سیستم با در نظر گرفتن مفاهیم سیستمهای مرتبه کسری و ارائه کنترلر مناسب است. لازم به ذکر است، مدلهای مختلف ارائه شده در مقالات و منابع موجود، اکثراً بر مبنای مانیتورBIS میباشند.واحد تعیین اندیکس در مانیتور BIS ، عددی بدون ابعاد و قدر مطلق بازه طبیعی بین عدد صفر - برابر با خلسه و سکوت در الکتروانسفالوگرام - و عدد 100 - برابر با هوشیاری و بیداری کامل - میباشد. طبق شاخص کارخانه سازنده، شاخص دوطیفی بین 40 تا 60، نمایشگر یک بیهوشی کامل برای عمل جراحی است. بنابراین هدف از طراحی کنترلر، حفظ میزان شاخص هوشیاری بیمار در محدوده60-40 در طول عمل جراحی 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.
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.
