Co roku wykonuje się na świecie około 50 mln zabiegów chirurgicznych w znieczuleniu ogólnym. Tylko u niewielkiego odsetka pacjentów (<1%) monitorowana jest w tym czasie funkcja OUN. Zdarza się, że w konsekwencji niewłaściwie przeprowadzonego znieczulenia, uszkodzenia aparatury, czy awarii systemu monitorującego skład gazów oddechowych dochodzi do uszkodzenia mózgu.

Do metod ciągłego monitorowania czynności OUN zalicza się elektroencefalografię, analizę bispektralną, analizę stanu pacjenta, entropię, monitorowanie przepływu krwi w naczyniach mózgowych metodą dopplerowską oraz ocenę oksymetrii mózgowej i saturacji krwi w opuszce żyły szyjnej.

Badanie elektroencefalograficzne (EEG) opiera się na analizie fal generowanych przez mózg. Znane są następujące rodzaje fal:

– b - 14 - 30 Hz, <20 mV;

– a - 8 - 13 Hz, 20 - 50 mV;

– q - 4 - 7 Hz, 20 - 50 mV;

– d - 1 - 4 Hz,> 50 mV;

– g - 30-40 Hz; [1].

Na zapis EEG wpływają [2]: przepływ krwi, żywienie, tlenoterapia, faza snu, stan przytomności, przyjmowane leki, choroby współistniejące, temperatura ciała i otoczenia. Pomimo, że EEG nie jest rutynowo stosowane do monitorowania pacjentów poddanych znieczuleniu, to uważane jest za narzędzie mogące pomóc w ocenie stanu ośrodkowego układu nerwowego [3]. Służy ono ocenie efektów farmakodynamicznych wywołanych przez środki anestetyczne stosowane do znieczulenia ogólnego. Elektroencefalografia jest pomocna także w diagnostyce niedokrwienia lub/ i niedotlenienia ośrodkowego układu nerwowego. Z tego względu EEG wykorzystywane jest w czasie operacji w obrębie tętnicy szyjnej i operacji kardiochirurgicznych z krążeniem pozaustrojowym. Ogólnie rzecz ujmując, środki stosowane w celu uzyskania sedacji, w miarę jej pogłębiania, zmieniają w zapisie EEG sygnały o niskiej amplitudzie i wysokiej częstotliwości (charakterystyczne dla stanu czuwania) na sygnały o wysokiej amplitudzie i niskiej częstotliwości (charakterystyczne dla stanu głębokiej anestezji).

Do wad tej metody zalicza się: złożoność obrazu EEG i jego interpretację (ilu lekarzy – tyle interpretacji), zmienne i często nieprzewidywalne efekty operacji chirurgicznej, brak korelacji między objawami klinicznymi a obrazem EEG w czasie znieczulenia [2, 3].

Bezpośredni pomiar głębokości snu jest obecnie niemożliwy. Możliwy jest jednak pomiar pośredni za pomącą tzw. indeksu bispektralnego (BIS – Bispectral Index). Zauważono już wcześniej, że spontaniczna czynność kory mózgowej wykazuje zmiany w czasie snu. Postanowiono wykorzystać zmiany w zapisie EEG, jako bazę do stworzenia parametru (wskaźnika), który korelowałby ze stanem głębokości snu pacjenta, był łatwy w użyciu i interpretacji oraz mógłby być przydatny nie tylko w oddziałach intensywnej terapii, ale także w codziennej praktyce anestezjologicznej w salach operacyjnych.

Analiza bispektralna jest parametrem opracowanym empirycznie, na podstawie analiz statystycznych. Badający to zjawisko naukowcy spróbowali znaleźć zależność pomiędzy zapisem EEG a stopniem sedacji/snu występującym w następstwie podania środków anestetycznych. W trakcie badań (wielowariantowa analiza statystyczna) opracowano zespół cech EEG typowych dla stanu uśpienia i niezależnych od rodzaju podanego środka (poza ketaminą).

Powstanie indeksu bispektralnego, jako jednej liczby, której wartość informuje o stopniu głębokości snu pacjenta w trakcie znieczulenia, obejmuje trzy zasadnicze etapy [4]:

1. Analizę zapisu EEG: u przytomnego pacjenta na zapis aktywności bioelektrycznej odbieranej za pomocą elektrod przymocowanych w różnych miejscach skóry głowy składają się fale będące efektem czynności bioelektrycznej kory mózgowej (EEG), wynikające z aktywności mięśni czaszki (EMG), czynności elektrycznej mięśnia sercowego (EKG), ładunków elektrycznych powstających w czasie ruchu dipoli wewnątrz poruszających się gałek ocznych (EOG) oraz zewnętrznych urządzeń elektrycznych znajdujących się w sali operacyjnej. Wszystkie te sygnały „nakładają się” na czynność bioelektryczną mózgu i powodują zaburzenia w jej zapisie. Dlatego sygnał EEG musi zostać poddany wzmocnieniu a następnie oczyszczeniu ze wszystkich artefaktów (głównie fal o wysokiej częstotliwości). W zapisie EEG odnajdywane są także fragmenty całkowitej czynnościowej supresji kory mózgowej (linia izoelektryczna). Wszystkie artefakty wykluczane są z dalszej obróbki sygnału. Sygnał analogowy przekształcony zostaje następnie w sygnał cyfrowy, który może zostać poddany dalszej obróbce komputerowej.

2. Wybór odpowiednich fragmentów EEG: fragmenty zapisu EEG odnajdywane są w ogromnej bazie danych zawierających zapisy EEG pochodzące od ponad dwóch tysięcy pacjentów poddanych działaniu różnych środków anestetycznych. Ma to na celu zidentyfikowanie cech EEG korelujących ze stopniem sedacji/uśpienia.

3. Analiza matematyczna wybranych fragmentów EEG: zapis EEG jest zbiorem prostych sinusoid nakładających się jedna na drugą, dając w rezultacie bardzo skomplikowany zapis. Analiza EEG może być zrealizowana poprzez prześledzenie zmian napięcia sygnałów EEG w funkcji czasu. Jest to tzw. analiza zależna od czasu. Wykorzystuje ona odpowiednie obliczenia statystyczne lub pomiary oparte na morfologii fal EEG. Kolejnym etapem analizy jest przedstawienie aktywności fal EEG jako funkcji częstotliwości. Ten etap nazywa się analizą zależną od częstotliwości. Konwersja sygnału EEG jako fali zależnej od czasu w sinusoidę zależną od częstotliwości nazywana jest transformacją Fouriera. Taka transformacja, w idealnych warunkach, nie zmienia ani nie redukuje informacji zawartej w kształcie sinusoidy, a odwrócenie transformacji Fouriera powoduje rekonstrukcję oryginalnego kształtu fali EEG użytej do tej transformacji. Analiza Fouriera powoduje powstanie widma częstotliwości, które jest wykresem amplitud i przesunięć fazowych w funkcji częstotliwości. Proces ten jest analogiczny do rozszczepienia światła białego przez pryzmat, w wyniku czego powstaje widmo światła (tęcza). Każdy mierzony sygnał przekształcony za pomocą techniki Fouriera w sygnał zależny od częstotliwości będzie cechował się amplitudą i fazowością dla każdej częstotliwości harmonicznej. Dalsza obróbka tak przekształconych danych jest bardzo pracochłonna nawet dla komputera. Opracowany więc został algorytm ułatwiający komputerową obróbkę cyfrowych danych. Ten algorytm nazywany jest szybką transformacją Fouriera (FFT – Fast Fourier Transformation). Otrzymane w wyniku szybkiej transformacji Fouriera dane poddawane są analizie statystycznej trzeciego rzędu – analizie bispektralnej. Opisuje ona korelacje pomiędzy fazami w zależności od różnych częstotliwości. Szczególnie określa ilościowo poziom synchronizacji poszczególnych składowych EEG w oparciu o tradycyjne parametry – amplitudę i częstotliwość. Kolejne algorytmy wprowadzone do analizy bispektralnej pozwalają na wyodrębnienie wskaźnika – indeksu bispektralnego jako wartości liczbowej śledzącej zmiany zachodzące w mózgu pod wpływem środków anestetycznych.

Stan czynności mózgu w analizie bispektralnej przypisany został do liczb: od 0-100.

Liczbę BIS należy postrzegać jako odzwierciedlenie głębokości snu, a nie stopnia analgezji. O niewystarczającej analgezji świadczą szybkie oscylacyjne zmiany wartości BIS, a nie jej wzrost. Nieświadome reakcje ruchowe w odpowiedzi na bodziec bólowy mogą wynikać z anatomicznego i możliwe, że z farmakodynamicznego rozdzielenia sieci neuronów odpowiedzialnych za odpowiedź ruchową (rdzeń kręgowy), od neuronów odpowiedzialnych za generowanie sygnału EEG (mózg) [5].

Monitorowanie BIS jest pomocne w adekwatnym dawkowaniu środków anestetycznych. Pozwala uniknąć zbyt wysokiego, lub niskiego ich stężenia. O zbyt dużym stężeniu anestetyku świadczyć będzie obniżanie się wartości BIS poniżej 40. Podwyższenie liczby BIS powyżej 60 sugeruje zbyt płytkie znieczulenie. Liczne badania dowodzą, że monitorowanie głębokości snu za pomocą BIS zmniejszyło zapotrzebowanie na środki anestetyczne w czasie trwania znieczulenia ogólnego: w przypadku propofolu średnio o 13-15%, a w przypadku lotnych anestetyków takich jak sewofluran czy desfluran nawet o 30-40% [6, 7, 8].

Wskazania do zastosowania monitorowania BIS są bardzo szerokie. Metoda ta może być z powodzeniem wykorzystywana u pacjentów operowanych w oddziałach: chirurgii ogólnej, kardiochirurgii, ginekologii i położnictwa (cięcie cesarskie w znieczuleniu ogólnym), chirurgii dziecięcej oraz w oddziałach „chirurgii jednego dnia” [8, 9]. Ten sposób monitorowania wskazany jest u pacjentów wyniszczonych, w podeszłym wieku (u których może zachodzić konieczność podawania mniejszych dawek anestetyków). Monitorowanie BIS nie jest polecane u pacjentów, u których podejrzewa się uszkodzenie kory mózgu. U tych pacjentów wartość BIS nie jest wiarygodna.

Prace ostatnich lat koncentrują się na badaniu cyfrowych sygnałów EEG celem uzyskania danych w postaci kwantowanej – ilościowej (QEEG – Quantitative EEG). Zaowocowały one skonstruowaniem analizatora stanu pacjenta (PSA – Patient State Analyzer).

PSA, w dużym uproszczeniu, składa się z elektrody, modułu pacjenta oraz kabla podłączonego do 4-kanałowego EEG. Sygnał z elektrody przechodzi przez analizator oddzielający artefakty pochodzące od „niechcianych” sygnałów fizjologicznych oraz innych urządzeń pracujących w sali operacyjnej. Po uzyskaniu oczyszczonego sygnału dane zostają zobrazowane w postaci wartości liczbowej PSI ( Patient State Index). Wykazuje ona dużą korelację ze zmodyfikowaną skalą oceny aktywności/sedacji (OAA/S – Observers Assessment of Alertness and Sedation Scale) (tab. I). Wartości PSI mieszczą się w granicach od 0 do 100, a zwiększenie stopnia sedacji powoduje ich obniżenie.

Monitor PSA pozwala na nadzorowanie czynności bioelektrycznej mózgu w czasie rzeczywistym, prezentując wyniki w formie cyfrowej i graficznej. Ze względu na rozmieszczenie elektrod sygnałowych umożliwia zobrazowanie funkcji obydwu półkul mózgowych w ich części czołowej. Umożliwia ocenę funkcji ipsilaterlanej półkuli mózgowej przy zabiegach przeprowadzanych na tętnicach szyjnych w znieczuleniu ogólnym. Ze względu na kształt elektrod i ich umiejscowienie na skórze głowy, mogą wystąpić trudności z monitorowaniem w niektórych przypadkach kraniotomii [10].

PSA nie pozwala na odczytanie liczby zahamowania wyładowań fal mózgowych jak BIS, ale ze względu na ciągłe obrazowanie krzywej EEG umożliwia wykrycie epizodów przebiegających z płaską linią EEG. PSA w odróżnieniu od BIS nie obrazuje krzywej EEG w postaci rozkładu gęstości sygnału (DSA – Density Spectral Array). Szybciej natomiast niż BIS reaguje na zmiany EEG, a PSI – odpowiednik indeksu bispektralnego, zmienia się szybciej niż BIS. Brak możliwości zobrazowania danych w formie DSA oraz niemożność bezpośredniego określenia liczby braku funkcji elektrycznej mózgu nie wydaje się być zbyt uciążliwa w większości monitorowanych przypadków. Artefakty pojawiające się na skutek używania elektrokoagulacji występują tak samo często i w podobny sposób zaburzają odczyt w obydwu urządzeniach [10].

Niedogodnością analizy bispektralnej jest to, że na wartość liczby BIS może wpływać aktywność mięśni szkieletowych. Oznacza to, że u pacjenta wystarczająco głęboko znieczulonego może wystąpić podwyższenie liczby BIS. Poszukiwano więc metody, która byłaby w stanie oddzielić aktywność mięśni od aktywności kory mózgowej. Efektem tej pracy stała się entropia.

Entropia stanowi miarę logarytmiczną stopnia przypadkowości (nieuporządkowania) układu. W informatyce i analizie sygnału opisuje nieregularność, złożoność i właściwości nieprzewidywalne sygnału („biały szum”). Przy użyciu technik analitycznych można dzięki niej mierzyć „nieregularność” i kompleksową naturę przypadku lub sygnału. W pojedynczym przypadku, gdy sygnał, w którym kolejne wartości naprzemienne jednej stałej wartości mają entropię „0” – sygnał jest całkowicie regularny i przewidywalny. Sygnał, w którym kolejne wartości są generowane przez przypadkową liczbę, ma natomiast większą złożoność i wyższą entropię.

Stosując pojęcie entropii w odniesieniu do mózgu, przesłanką do wykonania pomiaru jest stan pełnej aktywności mózgu: wówczas entropia jest bardziej złożona, odzwierciedla większą „nieregularność” i „złożoność” danych. Wzrastająca liczba dowodów wskazuje, że w warunkach znieczulenia ogólnego dane sygnału EEG zawierają więcej „uporządkowania”, mniej „nieregularności” i niższą entropię – przy wyższych stężeniach środka anestetycznego (głębokie znieczulenie) [11, 12, 13]. Natomiast przy niższych stężeniach środków anestetycznych sygnał EEG ma wyższą entropię.

Entropię charakteryzują dwa parametry: stan entropii (SE – State Entropy) i reakcja (odpowiedź) entropii (RE – Response Entropy). Stan entropii jest odczytywany w zakresie częstotliwości od 0,8 Hz do 32 Hz. W jego spektrum dominuje składowa EEG i dlatego jest on odzwierciedleniem czynności kory mózgu. Czas okien pomiarowych dla SE jest wybrany optymalnie dla poszczególnej częstotliwości i wynosi od 15 do 60 s [11, 13]. Reakcja entropii zawiera dwie komponenty: EEG oraz EMG i jest odczytywana w zakresie częstotliwości od 0,8 Hz do 47 Hz. Czas okien pomiarowych w tym przypadku jest również zróżnicowany: najdłuższy wynosi 15 s a najkrótszy, zawierający się w przedziale częstotliwości 32-47 Hz, to 2 s. Dwa parametry entropii znormalizowano w ten sposób, że RE staje się równe SE, gdy EMG (suma spektrum: 32-47 Hz) jest równe zeru; później natomiast różnica RE – SE służy jako wskaźnik aktywności EMG [11, 13, 14].