anestesian syvyyden mittaaminen...anestesian syvyyden mittaaminen sisältö 1. johdanto 1....

Anestesian syvyyden mittaaminen

Inhalaatioanestesiakurssi 7.11.2016Dosentti Anu Maksimow

TOTEK, TYKS

Anestesia päivittäisessä käytössä

Anestesian syvyyden mittaaminenSisältö

1. Johdanto1. Anestesian unikomponentti2. Unen syvyyden ja tajunnan tason mittaaminen 3. Tietoisuus vs. reagoivuus anestesiassa

2. Anestesia ja aivojen sähköinen toiminta (EEG)1. EEG perusteet2. EEG:n spektraalientropia3. BIS-indeksi

3. Anestesian avulla tehdyt havainnot tajunnan mekanismeista1. Tärkeimmät aivoalueet 2. Aivoalueiden väliset yhteydet (konnektiivisuus)3. Tulevaisuuden anestesian syvyyden mittari

4. Brain Computer Interface5. Yhteenveto

1.1. Anestesian unikomponentti

Aiheuttaa tiedottomuuden ja amnesian

Auttaa potilasta sietämään mekaanisen ventilaation

Riittämätön uni ja hereillä olo leikkauksen aikana johtuu yleensä anesteetin väärästä annostelusta

mekaaninen vikalaitteiden väärinkäyttöpotilaskohtaisesti lisääntynyt anesteetin tarveliian pinnallinen anestesia (etenkin traumapotilaat, hätäsektiot)preoperatiivinen opioidien tai mm. gabapentiinin käyttö

Hereillä olon (awareness) insidenssi US 0.13% (Sebel et al. 2004), Suomessa 0.07% (päiki) ja 0.13% (sairaalapotilaat) (Wennervirta et al. 2002)

1.1. Anestesian unikomponenttiMAC-arvo on populaatiokeskiarvo (1 MAC= 50% populaatiosta ei motorista vastetta kirurgiseen ärsykkeeseen)

ei kerro mitään unen syvyydestäperustuu subkortikaalisten rakenteiden aiheuttaman liikevasteen havaitsemiseenunen syvyys on yhteydessä mm. kortikaalisten neuronien aktiivisuuteen

EEG:hen perustuvat anestesiamonitorit määrittävät lääkkeen vaikutusta aivoihin ja

ohjaavat lääkkeen annosteluavähentävät hereilläolon riskiä (Myles et al. 2004, Ekman et al. 2004)

1.2. Unen syvyyden ja tajunnan tason mittaaminen

Anestesian behavioraalinen määritelmä (ei motorista vastetta annettuun pyyntöön, reagoimattomuus) otettu käyttöön jo 160 v sitten!

Uni? Voimakkaat tajuiset kokemukset, mutta aivorunko estää liikkumisen

LihasrelaksantitLiikkeen poistaminen ei poista tajuisuutta

1.2. Unen syvyyden ja tajunnan tason mittaaminen

Kliiniset havainnot:potilaan liikkeetsydämen syketiheysverenpainekyynelehtiminen

Kliiniset asteikot

EEG-pohjaiset Anestesiasyvyysmonitorit (esim. BIS-indeksi, Entropia, Narcotrend)

1.3. Tietoisuus vs. reagoivuus anestesiassa

”Conscious but disconnected”Unet esim. anestesian aikana (Sanders et al. 2012)

Tiedostava mutta kykenemätön reagoimaanlocked-in

Tiedostava mutta kyvytön raportoimaanAwareness - amnesia

Anesthesia with flunitrazepam/fentanyl and isoflurane/fentanyl. Unconsciousperception and mid-latency auditory evoked potentials.

Peter et al. Anaesthesist 43(5) 1994

-30 potilasta (10/ ryhmä, 10 verrokkia)

-elektiivinen sternotomia

-sternotomian jälkeen kuulokkeista nauhalle luettu ”Robinson Crusoe” tutkimuspotilaille

-ei muistikuvia anestesian ajalta

-3-5 vrk myöhemmin mieleenpalautustehtävä ”mitä tulee mieleen sanasta perjantai”

Tulokset:

-tutkimuspotilaat: 6 potilasta vastasi ”Robinson Crusoe”

-verrokkipotilaista 0

Päätelmät: Yleisanestesian aikana tapahtuneet kuulohavainnot voidaan muistaa ja palauttaa mieleen anestesian jälkeen

1.3. Tietoisuus vs. reagoivuus anestesiassa

1.3. Tietoisuus vs. reagoivuus anestesiassa

Aivojen toimintoja ohjaava keskus lamattuEtenkin dissosiatiiviset anesteetit (Ketamiini)

Annetun tehtävän unohtaminen (työmuisti)

Depersonalisaatio, out-of-body –kokemukset….

Haluttomuus noudattaa käskyä

Kyky ymmärtää käsky mutta kyvyttömyys noudattaa sitä

Unresponsiveness Unconsciousness

Anestesian syvyyden mittaaminenSisältö

1. Johdanto1. Anestesian unikomponentti2. Unen syvyyden ja tajunnan tason mittaaminen 3. Tietoisuus vs. reagoivuus anestesiassa

2. Anestesia ja aivojen sähköinen toiminta (EEG)1. EEG perusteet2. EEG:n spektraalientropia3. BIS-indeksi

3. Anestesian avulla tehdyt havainnot tajunnan mekanismeista1. Tärkeimmät aivoalueet 2. Aivoalueiden väliset yhteydet (konnektiivisuus)3. Tulevaisuuden anestesian syvyyden mittari

4. Brain Computer Interface5. Yhteenveto

2.1.EEG perusteet

Aivojen kuorikerroksen sähköisen aktiivisuuden rekisteröiminenpäänahasta elektroenkefalografian (EEG) avulla

Kortikaalisten pyramidisolujen aiheuttamat eksitoivat ja inhiboivatpostsynaptiset sähkövaraukset muodostavat solujen ulkopuolisensähkövirran

EEG-käyrä: kaikkien postsynaptisten potentiaalien yhteenlaskettusumma, mittaa jännite-eroja kahden elektrodin välillä

EEG = kortikaalinen sähköinen aktiivisuus tietyllä ajanhetkellähalutun elektrodin tai elektrodiparin alueella

Miten anesteetin vaikutusta voidaan mitata?Elektroenkefalografia (EEG)

Kvantitatiivinen EEGKoherenssiKonnektiivisuusHerätevasteet

2.1.EEG perusteet

Taajuuskaistat:Delta 1-4 Hz, yleensä vain unessaTheta 4-8.0 Hz, lisäntyy torkkuessa / unessaAlpha 8-13 Hz, hereilläolo, silmät kiinniBeta 13-30 Hz, ajatustoiminta, havainnointi ym.Gamma 30-70 Hz, lisääntyy joitain sedatiivojakäytettäessä (ketamiini, N2O)

2.1.EEG perusteet

Matalat pitoisuudetBeta -tehon lisääntyminen Alpha -aktiivisuuden väheneminen

Suurenevat pitoisuudet (kirurginen anestesia)Hitaan EEG-aktiivisuuden lisääntyminen (delta ja theta kaistat)Amplitudin kasvaminenAlpha-toiminnan voimistuminen aivojen etuosissaPurskevaimentuma

EEG ja muut menetelmätTranskraniaalinen magneettistimulaatio (TMS)Herätevasteet

2.1. EEG perusteet II / Heikkoudet

raaka-EEG –signaalin tulkinta hankalaa

laskenta-algoritmien heikkoudet (esim. epileptisen purkauksen tunnistaminen)

huono paikanerotuskyky

artefaktat kliinisessä ympäristössäEOGEMGEKGdiatermiaverkkovirta jne..

EEG:n matala volttitaso (> 100 µV) altistaa häiriöille

Elektrodien kiinnitysongelmat

GABA agonismi NMDA antagonismi

”A Gabaergic agent like propofol turn the TV off whereas nitrous oxide(or similarly acting ketamine) disrupts the tuning” (Sleigh and Barnard 2004)

Nukkuuko?

Eikö nuku?

Anestesian syvyyden monitorointi

Muokattu; Purdon et al. PNAS 2013; 110(12):E1142-51

Propofoli, EEG:n koherenssi EEG

EEG+TMSHereillä

Midatsolaamiunessa

Optimaalinen ”horroskooppi”

osoittaa tajunnan tason luotettavasti anesteetista riippumattahelposti ja yksiselitteisesti tulkittavissaei häiriinny muista pre- tai perioperatiivisesti annetuista lääkkeistähuomioi yksilöiden välisen vaihtelunerottaa tajunnan ja tajuttomuuden toisistaan 100% herkkyydellä ja tarkkuudellavielä kehittämättä

2.2. EEG:n Spektraalientropia

Entropia: systeemin sisällä vallitsevan epäjärjestyksen määrä

Puhdas siniaalto: vain yksi frekvenssikomponentti, entropia =

Signaali jossa kaikkia mahdollisia frekvenssejä: korkea entropia

EEG:n spektraalientropian laskentaan perustuva anestesian hypnoottisen komponentin mittari; M-Entropy (GE Healthcare, Helsinki)

Anesteettisten aineiden pitoisuuden kasvaessa EEG- käyrän aaltomuodot muuttuuvat säännöllisemmäksi, entropia pienenee

GE Healthcare

2.2. EEG:n Spektraalientropia 2.

E-ENTROPY (GE Healthcare S/5TM Entropy Module)

Laskenta: 0.64 s jaksot raaka EEG:tä > artefaktojen

tunnistus ja poisto > ”time –frequency balanced

spectral entropy” > RE ja SE arvot 10 s välein

HEREILLÄ: epäsäännöllinen EEG, korkea entropia

ANESTESIA: säännölliset EEG-aaltomuodot, matala entropia

(Viertiö-Oja et al. 2004)

Entropia 100

Entropia 0

SE / REEEG 0-20Hz

EEG + fEMG, ”harmaa alue” 20-37Hz

fEMG yli 37Hz

State Enropy (SE): 0.8-32 HzEnimmäkseen EEG, kuvastaa potilaan kortikaalista EEG-aktiivisuutta

Response entropy (RE): 0.8-47 HzEEG-dominantti ja EMG-dominantti osa EEG:n tehospektriä, reagoi nopeasti muutoksiin.

SE 0-91, RE 0-100, tavoitealue 40-61

Entropia vahvuudet / heikkoudet

RE reagoi nopeasti tajunnan palautumiseen

osoitettu toimivan propofolilla, tiopentaalilla, sevo- ja desfluraanilla

vähentää anesteetin käyttöä

lyhentää toipumisaikaa

relaksantin käyttö sekoittaa RE-arvoa

ei toimi ketamiinia käytettäessä

Bispectral Index (BIS™)Aspect Medical Systems (Newton, USA) 1996

BIS-indeksi: BetaRatio, SynchFastSlow ja burst suppression ratio (BSR)

1) BetaRatio: tehojen 30-47 Hz / 11-20 Hz suhde

2) Synch Fast Slow: “log (bispektri 0.5-47 Hz / bispektri 40-47 Hz)”

3) BSR: vaimentuneiden (± 5.0 µV) jaksojen osuus EEG:stä (Rampil 1998)

BIS-indeksiKehitetty empiirisesti n. 2000 potilaan EEG-rekisteröinneistä

haettu parhaiten anestesian syvyyteen korreloivat EEG-muuttujat

käyttöaiheet: lääkkeen annostelun optimointi ja hereillä olon mahdollisuuden tunnistaminen ja estäminen

BetaRatio: kevyt sedaatio/anestesia

SynchFastSlow: kirurginen anestesia

BSR: syvä anestesia

A-105: 2 s EEG-epokit, overlap 75%, 61.5 s laskentajaksot

Numeerinen arvo 0-100, BIS 45-60: potilas suurella todennäköisyydellä tiedoton

(Technology Overview: BIS, www.aspectms.com)

BIS vahvuudet

korreloi yleensä hyvin hypnoosin syvyyteen ja lääkeainepitoisuuteen

vähentää hereillä olon mahdollisuutta

lyhentää toipumisaikaa

Myles et al. 2004

-2463 potilasta, kaksoissokkoutettu monikeskustutkimus

-BIS-ohjattu tai ”rutiinianestesia”

-hereillä oloja BIS-ryhmässä 2, kontrolliryhmässä 11

-BIS vähensi hereillä olon riskiä 82%:lla

-yhden hereillä olon estäminen maksoi 2200 $

BIS heikkoudet

Kustannus-hyötysuhde?

huomattavaa vaihtelua BIS-arvoissa eri anestesiasyvyyksien välillä (arvot tajunnan/tajuttomuuden aikana osin samoja) (Schneideret al. 2003)

SynchFastSlow lasketaan >1000 bispektriarvosta: laskentaviive (Hagihira et al. 2001)

epileptinen EEG-purkaus häiritsee laskenta-algoritmia, BIS kohoaa virheellisesti (Yli-Hankala 2006)

Virheellisiä BIS-arvoja NMDA-antagonisteja käytettäessä

HerätevasteetUlkoisen ärsykkeen aiheuttama muutos

AEPBAEP

Aivorunkovasteet (1-10 ms)MLAEP

Keskilatenttiset (Middle Latency, 10-50 ms)Herätevasteen latenssi pitenee anestesiassaAmplitudi kapeneeVaatii yleensä on-line analyysin

LAEPPitkälatenttiset (Late Auditory, yli 50 ms) kortikaaliset vasteet

Activity survey (n=2 667 000) (%)

Cases of AAGA with NMB specified (n=118) (%)

Ratio of AAGA % to activity survey %

Volatile, no NBD 1 357 600 (51) 7 (6) 0.12

Volatile, NBD 1 095 100 (41) 90 (76) 1.86

TIVA, no NBD 95 200 (4) 3 (2) 0.68

TIVA, NBD 108 400 (4) 18 (15) 3.73

5th National Audit Project (NAP5) on accidental awareness duringgeneral anaesthesia: summary of main findings and risk factorsBJA 113; 2014Table 4

Risk profile of different anaesthetic techniques for accidental awareness during general anaesthesia(AAGA). Proportions of anaesthetic technique as used in the activity survey(n, annual estimates, rounded up to nearest 100), compared with their representation in our cohort of certain/probable and possible AAGA cases.

Anestesian syvyyden mittaaminenSisältö

1. Johdanto1. Anestesian unikomponentti2. Unen syvyyden ja tajunnan tason mittaaminen 3. Tietoisuus vs. reagoivuus anestesiassa

2. Anestesia ja aivojen sähköinen toiminta (EEG)1. EEG perusteet2. EEG:n spektraalientropia3. BIS-indeksi

3. Anestesian avulla tehdyt havainnot tajunnan mekanismeista1. Tärkeimmät aivoalueet 2. Aivoalueiden väliset yhteydet (konnektiivisuus)3. Tulevaisuuden anestesian syvyyden mittari

4. Brain Computer Interface5. Yhteenveto

3. Anestesian avulla tehdyt havainnot tajunnan mekanismeista

Miksi tutkia tajunnan mekanismeja?Tajunnan tasoa säätelevien mekanismien tunnistaminenTajuntaan vaikuttavien patologisten mekanismien ymmärtäminenAnestesian syvyyden objektiivinen mittaaminenLuotettavien anestesiamonitorien kehitystyö

Miten voidaan tutkia tajuntaa?Tajunnan tason manipuloiminen

Unen avullaEdustaa luonnollisinta ”tajuttomuuden” tilaaEi voida manipuloida koeasetelmissaUnien näkeminen (tiedostava tila?)

Anestesia-aineillaHelpompi manipuloida eri koeasetelmissaToistettavuusHereilläolo-sedaatio-tajunnanmenetys (LOC)-syvä anestesiaTutkitaanko anesteetin vaikutusta vai tajuntaa?

Tajunnan palautuminen vaatii 1. aktivoitumisen:

aivorungontalamuksenetummaisen pihtipoimun (ACC) alueella

2. Päälakilohkon alaosien ja ACC:n yhteyksien palautumisen

3.2. Anestesian avulla tehdyt havainnot tajunnan mekanismeista / konnektiivisuus

Anestesia ja fMRIFunctional Magnetic Resonance Imaging

Aivoalueiden aktivoitumiseen liittyvät paikalliset verenvirtausmuutokset

Hapettuneen hemoglobiinin määrän muutos

Muutos MRI-signaalissa(Blood oxygen level dependent contrast, BOLD)

fMRI

3.3. Tulevaisuuden anestesian syvyyden mittari

3.3. Tulevaisuuden anestesian syvyyden mittari

mittaa tajunnan tason luotettavasti anesteetistariippumattahelposti ja yksiselitteisesti tulkittavissaei häiriinny muista pre- tai perioperatiivisesti annetuista lääkkeistähuomioi yksilöiden välisen vaihtelunerottaa tajunnan ja tajuttomuuden toisistaan 100% herkkyydellä ja tarkkuudellakäyttäjäystävällinen ja kustannustehokasvielä kehittämättä

mcb.berkeley.edu

HEREILLÄ

Sensoriset jaassosiatiivisetalueet

Frontaalisettoteuttavatalueet

Propofoliunessa

Sensoriset jaassosiatiivisetalueet

Frontaalisettoteuttavatalueet

mcb.berkeley.edu

Tulevaisuuden unensyvyysmittari?

hereillämcb.berkeley.edu mcb.berkeley.edu

Tulevaisuuden unensyvyysmittari?

hereillä umcb.berkeley.edmcb.berkeley.edu

TMS

4. Brain Computer Interface

Brain Computer Interface

Tulokset

18 potilastaVegetative state / minimal conscious state

20 kontrollia64-kanavainen EEG, ERP-koeKongruentteja ja ei-kongruentteja lauseita

VS/MCS potilaat

-16 potilasta (VS) ja 12 kontrollia

-EEG-rekisteröinti; herätevasteet ”Motor imaginery”

-Kuvitellut liikkeet aiheuttavat ”eventrelated desynchronization” ERD-muutoksen EEG:ssä

-”kun kuulet piippauksen kuvittele puristavasi oikea käsi nyrkkiin / kuvittele heiluttelevasi kaikkia varpaitasiThe Lancet, Nov. 2011

Merkitys?

Brain Computer Interface?-fMRI?-EEG?

16:sta kliinisesti reagoimattomasta potilaasta 3 pystyi toistettavasti ja luotettavasti”kommunikoimaan” EEG-vasteen avulla

Brain Computer Interface

Brain Computer Interface

5. Yhteenveto ITajunnan kannalta keskeiset aivoalueet

Etummainen pihtipoimu (ACC)AivorunkoPrefrontaalikorteksiTalamus Taaempi pihtipoimu (PCC)PrecuneusTemporo-parieto-okkipitaalinen-junktio

5. Yhteenveto IITajunnan menetys (ja yleisanestesia) aiheutuvat kortiko-kortikaalisen ja talamo-kortikaalisenkonnektiivisuuden menetyksestä

Tajunnan (awareness) palautuminen vaatii syvien ”primitiivisten” aivoalueiden aktivoitumisen

Tajunnan sisällön (rich contents of consciousness) palautuminen vaatii neokorteksin aktivaation

5. Yhteenveto III

EEG-pohjaiset anestesiamonitorit ohjaavat lääkkeen annostelua, eivät monitoroi tajunnan tasoa luotettavasti

Nukutettu potilas saattaa olla ”connected”

Tajunnan hermostollisten vastineiden tutkiminen vielä kesken

Funktionaalinen konnektiivisuus

https://www.tfl.gov.uk/cdn/static/cms/documents/standard-tube-map.pdf

Funktionaalinen konnektiivisuus

https://www.tfl.gov.uk/cdn/static/cms/documents/standard-tube-map.pdf

(Inter)national CollaboratorsLauri Nummenmaa, Aalto UniversityMichael T. Alkire, Irvine Medical Center, UCI, USAPatrick L. Purdon, Massachusetts General Hospital, USA

Anesthesia Mechanisms GroupTurku PET Centre, University of Turku and TUCH

Consciousness Research GroupCentre for Cognitive Neuroscience, University of Turku

PI: Antti RevonsuoRoosa KallionpääNils SandmanKatja Valli etc.

PI: Harry ScheininPhD students:Lauri LaaksonenAnnalotta ScheininUndergrads:Oskari KantonenAleksi NummelaAleksi PalolaLinda Radek

Postdocs:Kaike KaistiKimmo KaskinoroRuut LaitioTimo LaitioJaakko LångsjöAnu Maksimow

KIITOS!

25 October 2014Harry Scheinin 66

2013-2016