DE60121749T2

DE60121749T2 - System zum adaptiven Verabreichen einer Arznei

Info

Publication number: DE60121749T2
Application number: DE60121749T
Authority: DE
Inventors: Michel Struys; Tom De Smet; Linda Versichelen
Original assignee: Aspect Medical Systems LLC
Current assignee: Aspect Medical Systems LLC
Priority date: 2000-05-03
Filing date: 2001-05-03
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2021-05-04
Also published as: US7220240B2; EP1278564B2; WO2001083007A3; JP2003531691A; US6605072B2; AU5938001A; JP4889177B2; DE60121749D1; WO2001083007A2; EP1278564B1; CA2409366A1; MXPA02010856A; US20030045858A1; BR0110515A; AU2001259380B2; CA2409366C; ES2267767T3; US20030036744A1; EP1278564A2; ATE333911T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verabreichung einer Medikation im Allgemeinen und insbesondere ein Regelkreissystem zur adaptiven Steuerung der Verabreichung einer Medikation.
Relevanter Stand der Technik
Intravenöse Arzneimittelverabreichung ist bekannt und eine üblicherweise verwendete Technik zur Medikationsverabreichung an einen Patienten. Die intravenöse Verabreichung einer Medikation führt zu einer Blutkonzentration der Medikation in dem Patienten mit dem Ziel, die gewünschte Wirkung auf den Patienten zu erreichen. Ein Verständnis des Zusammenhangs zwischen Arzneimitteldosis, -konzentration, -wirkung und Zeit sind in der Pharmazie fundamental. Ein solches Verständnis kann durch das Verstehen eines Pharmakokinetik-Pharmakodynamik-Modells (PKPD-Modell) verbessert werden. Dieses Modell beschreibt Konzentration, Wirkung und Dosierung durch Analysieren des pharmakinetischen Einflusses der Arzneimitteldosierung und dann den pharmakokinetische Wirkung, die die Arzneimitteldosierung auf den Patienten hat.
Speziell die Pharmakokinetik (PK) versucht, die Zeitabhängigkeit der Arzneimittelkonzentration (normalerweise im Blut) zu beschreiben, zu verstehen und vorherzusagen; sie misst das Verhältnis zwischen Dosis und Konzentration. Die Pharmakodynamik (PD) versucht, die Zeitabhängigkeit und Umfang der physiologischen Wirkung dieser Konzentration zu beschreiben; sie misst die Beziehung zwischen Konzentration und Wirkung. Demzufolge bietet die Zusammenführung von Kinetik und Dynamik Einblick in die Zeitabhängigkeit der Arzneimittelwirkung und bil det eine Basis zur Optimierung und Steuerung der Arzneimitteldosierung.
Ein Problem, das mit der Steuerung der Dosis/Wirkung-Beziehung der Medikation verbunden ist, ergibt sich aus der Genauigkeit der Arzneimittelwirkungsmessung. Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Tatsache, dass andere Faktoren mit ins Spiel kommen können, die die Dosis/Wirkung-Beziehung für einen Patienten verändern. Diese Probleme betreffen die Medikationen im Allgemeinen und insbesondere die anästhetischen Arzneimittel.
Da verschiedene anästhetische Arzneimittel verschiedene Wirkungen und Nebenwirkungen haben, kann die Arzneimittelwirkung auf unterschiedliche Weise gemessen werden. Zurzeit gibt es eine Vielzahl an klinischen Indikatoren, die als Basis für die Arzneimittelverabreichung verwendet werden, um einen spezifischen anästhetischen Zustand zu erzielen. Gemäß herkömmlicher Erfahrung wird die Tiefe der Anästhesie und der anästhetische Arzneimittelwirkung durch die Beobachtung von somatischen (Patientenbewegung) und autonomen Reflexen (erhöhte Herzfrequenz und Blutdruck, Tränenfluss und Pupillenerweiterung) klinisch bewertet. Allerdings gibt es Berichte von Fällen von Bewusstsein während der Operation bei nichtparalysierten Patienten, bei denen die somatischen Reflexe fehlten. Obwohl diese Fälle relativ selten sind, zeigt ihr Auftreten, dass die Beobachtung von spontaner Bewegung während der Operation nicht absolut sicher ist.
Wenn in dem Patienten zudem Muskelrelaxanzen in Dosen vorhanden sind, die eine Bewegung verhindern, wird die Eignung der Anästhetika meist durch die Beobachtung autonomer Reflexe bewertet, obwohl ein Bezug zum Bewusstsein nicht bewiesen ist. Ein weiterer verwirrender Faktor ist, dass die anästhetische Wirkung durch Krankheit, Drogen und chirurgische Techniken verändert werden kann. Des Weiteren ist das Ausmaß der Streuung der Dosis/Wirkung-Beziehung der anästhetischen Mittel unter den Patienten hoch. In der tatsächlichen klinischen Praxis werden Opiate und andere Arzneimittel zu Anästhetika hinzugefügt, was die klinische Bewertung der Anästhesietiefe noch schwieriger macht.
Eine weiteres herkömmliche Maß der Anästhesietiefe und der anästhetischen Arzneimittelwirkung ist das Elektroenzephalogramm (EEG). Allerdings erfordert die Interpretation leichter Veränderungen in dem rohen (unverarbeitetem) EEG einen geschulten Elektroenzephalograph-Fachmann, da Veränderungen in der EEG-Morphologie hintergründig und auch unterschiedlich für jeden verabreichten Typ Anästhetika sind, und wird demzufolge üblicherweise nicht vor Ort während der Anästhesie und der Beruhigung durchgeführt. Aus diesem Grund wird oft eine Computerverarbeitung des EEGs verwendet, um die große Informationsmenge, die in dem Roh-EEG vorhanden ist, zu komprimieren, wobei die für die Überwachung der Verabreichung relevante Information erhalten bleibt.
Verschiedene EEG-Überwachungsgeräte sind zur Verwendung im Operationssaal, auf der Intensivstation und anderen Einrichtungen entworfen worden. Diese Geräte führen eine Datenkompression durch und fertigen Verläufe der enthaltenen Frequenzen, der Amplitude und der Asymmetrie zwischen Kanälen an. Zwei Hauptansätze sind zu diesem Zweck verwendet worden: Fourieranalyse und Bispektralanalyse.
Der Fourier-Analyse-Ansatz stellt eine komplexe Wellenform als eine Summe von Sinuswellen verschiedener Frequenzen und Amplituden dar. Die spektrale Leistungsdichte kann aus einer Fast-Fourier-Transform-Analyse (FFT) berechnet werden. Die spektrale Leistungsdichte wird wiederum dazu verwendet, um eine Anzahl beschreibender Parameter zu berechnen, wie z.B. die spektrale Schnittfrequenz (die Frequenz, unterhalb von der sich 95% der spektralen Leistung (SEF 95%) oder 50% der Leistung (mittlere Frequenz oder MF) befinden). Diese Messungen des EEGs werden oft in der anästhetischen pharmazeutischen Forschung verwendet. Dennoch wurde die Verwendung der Leistungsdichte der spektralen EEG-Analyse während klinischer Anästhesie aus verschiedenen Gründen beschränkt. Zunächst haben verschiedene Arzneimittel unterschiedliche Wirkungen auf diese Messungen der spektralen Leistungsdichte. Ferner bewirken diese Arzneimittel in geringen Konzentrationen eine Aktivierung, bei höheren Konzentrationen bewirken die Arzneimittel jedoch eine EEG-Verlangsamung und sogar ein Auftreten isoelektrischer EEG-Abschnitte, die als Burst-supression bezeichnet werden. Demzufolge können sowohl niedrige als auch hohe Konzentrationen eine nichtmonotone Beziehung zwischen den spektralen Leistungsdichtemessungen und dem klinischen Status des Patienten bewirken.
Die Bispektralanalyse ist eine quantitative EEG-Analysentechnik, die zur Verwendung während der Anästhesie entwickelt worden ist. Eine Bispektralanalyse eines EEGs misst die Übereinstimmung der Beziehungen von Phase und Leistung bei den verschiedenen Frequenzen des EEGs. Der von Aspect Medical Systems, Inc. entwickelte Bispektral-Index^®, der aus der Bispektralanalyse des EEGs abgeleitet wird, ist ein einzelnes zusammengesetztes EEG-Maß, das die EEG-Veränderungen aufspürt, die mit den verschiedenen anästhetischen Zuständen verbunden sind.
Gesetzmäßigkeiten der Pharmakokinetiken sind kürzlich dazu verwendet worden, um verschiedene Abläufe computergestützter Infusionen von intravenösen Anästhetika und beruhigenden Arzneimitteln zu entwickeln. Ein Computer wird mit Durchschnittswerten pharmakokinetischer Daten der Bevölkerung für das zu untersuchende Arzneimittel versehen, einschließlich der ge wünschten Plasmakonzentration. Der Computer berechnet dann die Arzneimittelmenge und die Infusionsrate für eine gewünschte („Ziel"-)Konzentration; eine Infusionspumpe liefert dann die erforderliche Infusionsrate und -menge, um die Zielkonzentration zu erreichen.
Diese Probleme der Arzneimittelverabreichung sind nicht auf anästhetische Arzneimittel beschränkt, noch sind sie auf die intravenöse Verabreichung der Medikation beschränkt. In der klinischen Praxis gibt es keine ideale Plasmakonzentration, um eine bestimmte Arzneimittelwirkung hervorzurufen. Die spezifisch erforderliche Konzentration hängt von Faktoren ab, wie z.B. der einzelnen pharmakologische Streuung, der Wechselwirkung mit anderen gleichzeitig verwendeten Arzneimitteln und der Intensität des chirurgischen Reizes.
Die WO 93/14807 offenbart ein Regelkreissystem für eine Arzneimittelverabreichung, mit dem eine kardiologische Diagnose durch pharmazeutische Belastung des Herzens durchgeführt wird, indem ein die Herztätigkeit anregendes Arzneimittel verabreicht wird. Das System fährt damit fort, das Arzneimittel zu verabreichen, bis die Zielwirkung erreicht oder fast erreicht ist, um ein Hinausschießen über das Ziel zu vermeiden.
In der US 6,053,887 wird ein medizinisches Behandlungssystem mit einem programmierbaren medizintechnischen Gerät bereitgestellt, das in einem ersten Zimmerbereich angeordnet ist, und einem entfernt davon befindlichen Überwachungsgerät und/oder einer Steuerung, die in einem zweiten Zimmerbereich angeordnet sind. Das programmierbare Gerät wird dazu verwendet, einem Patienten eine medizinische Behandlung zukommen zu lassen, und das entfernt befindliche Überwachungsgerät/Steuerung kann dazu verwendet werden, um den Betrieb des medizintechnischen Gerätes zu überwachen und/oder Daten von dem medizintechnischen Gerät zu dem entfernt liegenden Überwachungsgerät/Steuerung zu übertragen.
Ein Verfahren, das auf einem quantitativen Elektroenzephalogramm (QEEG) beruht, und eine Vorrichtung zur automatischen Steuerung und Einstellung der Verabreichung von Anästhetika ist in dem US-Patent 6,016,444 gezeigt.
Die EP 1 136 090 beschreibt eine Steuerung, der automatischen Abgabe einer aktiven Substanz an einen Patientenkörper, wobei die Konzentration der aktiven Substanz in dem Körper des Patienten auf Grundlage eines bevölkerungsbasierten Patientenmodells berechnet wird, das frühere Abgabewerte aktiver Substanzen berücksichtigt.
Der zuvor beschriebene Stand der Technik ist jedoch nicht dazu in der Lage zu berücksichtigen, dass interne oder externe Reize einen Patienten dazu bringen können, unterschiedlich auf eine gegebene Konzentration der Medikation zu reagieren.
Aus diesem Grund ist es Aufgabe der Erfindung, ein System zur Steuerung der Verabreichung einer Medikation und eine entsprechende Medikationszuführ-Steuereinrichtung bereitzustellen, die dazu in der Lage sind, eine Veränderung in der Weise, wie ein Patient auf eine gegebene Medikationskonzentration reagiert, zu erfassen und auf diese zu reagieren.
Dies wird durch ein System zur Steuerung der Verabreichung einer Medikation gemäß dem kennzeichnenden Teil der angefügten Ansprüche erreicht.
Die vorliegende Erfindung stellt ein System zur Bestimmung und Aufrechterhaltung eines gewünschten Medikationskonzentrationsniveaus in einem Patienten bereit, um eine gewünschte Wirkung auf den Patienten zu erreichen und aufrecht zu erhal ten. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung verwendet eine Medikationszuführ-Steuereinrichtung im Allgemeinen das Patienten-Reaktionsprofil, um die Medikationskonzentration in dem Patienten zu bestimmen, die die gewünschte Wirkung auf den Patienten erzielt. Durch die Verwendung dieser Information liefert die Medikationszuführ-Steuereinrichtung Befehle an eine Medikationszuführ-Einheit, wie z.B. eine Infusionspumpe oder ein Inhalationsgerät, so dass dem Patienten die Medikation mit einer Rate verabreicht wird, die das gewünschte Medikationskonzentrationsniveau in dem Patienten bewirkt.
Die Wirkung der Medikation auf den Patienten wird überwacht, um zu bestimmen, ob sich das Patienten-Reaktionsprofil verändert hat. Wenn sich das Patienten-Reaktionsprofil geändert hat, berechnet die Medikationszuführ-Steuereinrichtung ein neues Patienten-Reaktionsprofil und verwendet dieses neue Patienten-Reaktionsprofil, um ein neues Medikationskonzentrationsniveau zu bestimmen, das die gewünschte Wirkung auf den Patienten erzielt.
In einer Beispielanwendung der Erfindung kann die Medikationszuführ-Steuereinrichtung so ausgeführt sein, um ein gewünschtes Konzentrationsniveau einer anästhetischen Medikation zu bestimmen, um den gewünschten Beruhigungsgrad bei einem Patienten hervorzurufen. Allerdings kann die Erfindung mit jeder einer Vielzahl verschiedener Medikationen ausgeführt sein, um ein Medikationskonzentrationsniveau zu bestimmen und aufrecht zu erhalten, das zu der gewünschten Wirkung auf den Patienten führt.
In einer Ausführungsform kann eine Sensoreinheit mit einem oder mehreren Sensoren umfasst sein, um eine oder mehrere Eigenschaften des Patienten zu erfassen. Diese Eigenschaften können einen oder mehrere Zustände des Patienten umfassen, die bei der Bestimmung der Medikationswirkung auf den Patienten verwendet werden. Die Sensoreinheit liefert Parameter, die diese Eigenschaften messen, an die Medikationszuführ-Steuereinrichtung. Zum Beispiel können in dem Fall anästhetischer Arzneimittel die Eigenschaften, die dazu nützlich sind, den Beruhigungsgrad des Patienten zu bestimmen, das Elektroenzephalogramm (EEG) des Patienten umfassen, genauso wie auch andere Eigenschaften, z.B. die Herzfrequenz, Blutdruck und Sauerstoffsättigung des Patienten. Parameter, die diese Eigenschaften messen, z.B. der Bispektral-Index des Patienten-EEGs, können bestimmt und an die Medikationszuführ-Steuereinrichtung geliefert werden. Die Medikationszuführ-Steuereinrichtung verwendet diese Parameter, um den Beruhigungsgrad des Patienten zu bestimmen. Genauso können andere Eigenschaften und ihre zugeordneten Parameter dazu verwendet werden, um die Wirkung anderer Medikationstypen auf einen Patienten zu messen oder anderweitig zu quantifizieren.
Die Medikationszuführ-Steuereinrichtung verwendet einen oder mehrere Parameter von der Sensoreinheit, um die Medikationswirkung auf den Patienten zu bestimmen. In einer Ausführungsform können diese Parameter dazu verwendet werden, ein anfängliches Patienten-Reaktionsprofil zu bestimmen, das die individuelle Reaktion des Patienten auf die Medikation festlegt. Im Betrieb können die Parameter dazu verwendet werden, um zu bestimmen, ob sich die Reaktion des Patienten auf die Medikation als eine Folge externer Reize geändert hat. Wenn sich die Reaktion des Patienten auf die Medikation geändert hat, kann die Medikationszuführ-Steuereinheit das neue Reaktionsprofil bestimmen. Ausgehend von diesem neuen Reaktionsprofil kann die Medikationszuführ-Steuereinrichtung ein neues Medikationskonzentrationsniveau bestimmen, das die gewünschte Wirkung auf den Patienten erzielt. Basierend auf den Patienten-Reaktionsprofilen, die für einen Patienten bestimmt worden sind, weist die Medikationszuführ-Steuereinheit eine Medikations-Zuführeinheit dazu an, die Patientenmedikation mit der gewünschten Rate oder Niveau zuzuführen, um die bestimmte Konzentration zu erreichen.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass Veränderungen in einer Patienten-Reaktion auf eine Medikation bestimmt werden können, indem Informationen verwendet werden, die von der Sensoreinheit erhalten wurden. Mit dieser Information können die Zuführparameter der Medikation, wie z.B. die Infusionsrate eingestellt werden, um sicherzustellen, dass die gewünschte Wirkung auf den Patienten erzielt und aufrecht erhalten wird. Infolge dieses adaptiven Rückkopplungsprozesses kann der gewünschte Medikationseffekt für einen Patienten automatisch aufrechterhalten werden, auch wenn sich die Patienten-Reaktion auf die Medikation als Folge externer Reize ändert.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ebenso wie der Aufbau und der Betrieb der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische oder funktional ähnliche Elemente. Zusätzlich kennzeichnet die ganz links stehende Zahl eines Bezugszeichens die Zeichnung, in der das Bezugszeichen zuerst erscheint.
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Sensoreinheit, eine Medikationszuführ-Steuereinrichtung und eine Medikations-Zuführeinheit gemäß einer Ausführung der Erfindung beschreibt.
2 ist ein Flussdiagramm, das den Anpassungsprozess auf ein sich veränderndes Patienten-Reaktionsprofil gemäß einer Ausführung der Erfindung beschreibt.
3 ist ein Flussdiagramm, das einen Vorgang zur Bestimmung eines anfänglichen Patienten-Reaktionsprofils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschreibt.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Bestimmung eines neuen Patienten-Reaktionsprofils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschreibt.
5, die 5A, 5B und 5C umfasst, ist ein Diagramm, das ein Patienten-Reaktionsprofil und die Verschiebung eines Patienten-Reaktionsprofils beschreibt, um ein neues Patienten-Reaktionsprofil zu bestimmen.
6 ist ein Blockdiagramm, das eine Anwendung der Erfindung beschreibt, die zur Verwendung bei der Verabreichung einer anästhetischen Medikation gemäß einer der Ausführungsformen der Erfindung geeignet ist.
7 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer Medikationszuführ-Steuereinrichtung in der Beispielumgebung der Verabreichung einer anästhetischen Medikation gemäß einer Ausführung dieser Erfindung beschreibt.
8 ist ein Blockdiagramm, das eine Beispielarchitektur einer Medikationszuführ-Steuereinrichtung gemäß einer Ausführung der Erfindung beschreibt.
9 ist ein Blockdiagramm, das eine Beispielarchitektur eines Computersystems beschreibt, das dazu verwendet werden kann, die Funktionsweise der Erfindung gemäß einer Ausführungsform zu realisieren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1. Übersicht über die Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Steuerung der Zufuhr einer Medikation, die ein adaptives Rückkopplungssteuerungssystem verwendet. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Patienten-Reaktionsprofil auf eine Medikation bestimmt. Das Reaktionsprofil kann in einer Ausführungsform als die Wirkung gemessen werden, die die Medikation auf den Patienten bei verschiedenen Konzentrationsniveaus hat. Sobald das Reaktionsprofil bestimmt ist, wird der Patient mit einem Medikationsniveau versorgt, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Der Patient wird überwacht, um zu bestimmen ob die gewünschte Wirkung aufrechterhalten wird. Vorausgesetzt, dass die gewünschte Wirkung bei der verabreichten Konzentration erreicht worden ist, sind keine Veränderungen bei dem Medikationsniveau erforderlich.
Sollten allerdings externe Reize das Patienten-Reaktionsprofil beeinflussen, hält die verabreichte Konzentration die gewünschte Wirkung nicht länger aufrecht. Dann wird ein neues Profil bestimmt und die Konzentration eingestellt, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Externe Reize, die das Patienten-Reaktionsprofil beeinflussen können, können z.B. chirurgische Manipulationen, zusätzliche Medikationen, die dem Patienten verabreicht werden, Patientenaktivitäten, das Verstreichen von Zeit oder andere Ereignisse umfassen, die die Wirkung verändern können, den eine Medikation auf den Patienten hat.
2. Beispielumgebung
Die Erfindung kann in jeder Medikationszuführ-Umgebung realisiert werden, in der es gewünscht oder erforderlich ist, eine vorbestimmte Wirkung zu erreichen, sogar dort, wo externe Reize die Dosis/Wirkung-Beziehung beeinflussen können. Eine solche Beispielumgebung ist die intravenöse Infusion einer anästhetischer Medikation in einen Patienten, um eine gewünschte Anästhesietiefe zu erzielen. Die Erfindung wird hierin oft hinsichtlich der Beispielumgebung beschrieben. Die Beschreibung wird diesbezüglich nur zur Erleichterung der Erläuterung vorgesehen. Nach dem Lesen dieser Beschreibung wird es für den Fachmann offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung in jeder einer Anzahl von verschiedenen Medikationszuführungs-Umgebungen ausgeführt sein, in denen es erforderlich ist, die Medikationszufuhr zu überwachen oder einzustellen, um das gewünschte Ergebnis zu erreichen.
3. Gesteuerte Rückkopplungs-Arzneimittelzufuhr
1 ist ein Blockdiagramm, das allgemein eine Anwendung einer Medikationszuführ-Steuereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Ein Patient 116, der unter chirurgischer Behandlung, Intensivbehandlung oder ähnlicher Gesundheitsbehandlung steht, wird durch eine Sensoreinheit 104 überwacht, um die Patientenreaktion auf eine zugeführte Medikation zu bestimmen. Die Sensoreinheit 104 kann einen oder mehrere Sensoren umfassen, um den Zustand oder die Eigenschaften des Patienten zu erfassen. Die Sensoreinheit 104 kann Parameter liefern, wie z.B. Patienten-Blutdruck, -Herzfrequenz, -Temperatur, -EEG-Parameter, -EKG-Parameter oder andere Parameter, die den Gesamtzustand des Patienten oder spezifische Eigenschaften über den Patienten wiedergeben.
Die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 empfängt den einen oder mehrere Parameter und verwendet diese Parameter, um das gewünschte Medikationskonzentrationsniveau zu bestimmen. Die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 steuert die Medikations-Zuführeinheit 112, um dem Patienten 116 eine Medikation mit der erforderlichen Rate oder zeitlichem Abstand zu verabreichen, um die gewünschte Medikationskonzentration in dem Blutstrom des Patienten zu erzielen. Die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 steuert die Medikations-Zuführeinheit 112 in der Art, dass die Konzentration der Medikation in dem Blutstrom des Patienten entweder aufrechterhalten, erhöht oder verringert wird. Die Entscheidungen, die Rate oder den zeitlichen Abstand der Medikationszuführung aufrecht zu erhalten oder anzupassen, basieren auf einer Auswertung der Parameter, die von der Sensoreinheit 104 empfangen wurden.
Die Medikations-Zuführeinheit 112 empfängt Befehle von der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108, um die Rate oder den zeitlichen Abstand einzustellen, mit dem die Medikation zugeführt wird. Die Medikations-Zuführeinheit 112 kann als eine Infusionspumpe, Inhalationsvorrichtung oder eine andere Medikationszuführvorrichtung ausgeführt sein. Zum Beispiel kann im Falle einer Infusionspumpe die Medikationszuführ-Steuereinheit die Infusionsrate der Medikations-Zuführeinheit 112 einstellen, um ein höheres oder niedrigeres Blutkonzentrationsniveau der betreffenden Medikation im Patienten 116 zu erzielen.
2 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. In einem Schritt 204 arbeitet die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 in einer offenen Regelkreis-Betriebsart, vorzugsweise ohne Bezug auf die Parameter von der Sensoreinheit 104. In dieser offenen Regelkreis-Betriebsart steuert die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 die Medi kations-Zuführeinheit 112 so, dass variierende Konzentrationen der Medikation zum Patienten 116 geliefert werden.
In einem Schritt 208 wird als ein Ergebnis der offenen Regelkreis-Betriebsart eine Patienten-Reaktionskurve oder Reaktionsprofil erstellt. Insbesondere werden Messwerte der Sensoreinheit 104 dazu verwendet, um die Wirkung der Medikation auf den Patienten 116 bei variierenden Konzentrationsniveaus zu verfolgen.
Sobald das Patienten-Reaktionsprofil bestimmt ist, arbeitet die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 in der geschlossenen Regelkreis-Betriebsart, wie sie durch Schritt 210 beschrieben ist. In der geschlossenen Regelkreis-Betriebsart bewertet die Medikationszuführ-Steuereinheit 108 einen oder mehrere Parameter, die sie von der Sensoreinheit 104 empfangen hat, um sicherzustellen, dass die gewünschte Wirkung auf den Patienten 116 erreicht wird. Aufgrund beispielsweise externer Reize, z.B. zusätzliche Medikation, chirurgische oder invasive Prozeduren, ein sich verändernder Zustand des Patienten oder andere Faktoren, die den Patienten 116 beeinflussen, kann sich das Patienten-Reaktionsprofil verändern. Das heißt, dass externe Reize bewirken können, dass ein Patient unterschiedlich auf eine gegebene Medikationskonzentration reagiert. Aus diesem Grund überwacht die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 in einer geschlossenen Regelkreis-Betriebsart die Parameter, die von der Sensoreinheit 104 empfangen werden, um zu bestimmen, ob sich das Patienten-Reaktionsprofil verändert hat.
Vorausgesetzt, dass sich das Patienten-Reaktionsprofil nicht verändert hat, fährt die Medikationszuführ-Steuereinheit 108 damit fort, in einer geschlossenen Regelkreis-Betriebsart zu arbeiten und hält das Blutkonzentrationsniveau der Medikation aufrecht. Dies zeigen die Schritte 216 und 210. Wenn andererseits die Medikationszuführ-Steuereinheit 108 eine Verän derung in dem Patienten-Reaktionsprofil erfasst, bestimmt die Medikationszuführ-Steuereinheit 108 das neue Medikationskonzentrationsniveau, das erforderlich ist, um eine gewünschte Wirkung bei dem Patienten aufrecht zu erhalten. Wenn z.B. eine höhere Medikationskonzentration erforderlich ist, um eine gewünschte Wirkung auf den Patienten zu erreichen oder aufrecht zu erhalten, instruiert die Medikationszuführ-Steuereinheit 108 die Medikations-Zuführeinheit 112, um die Rate einzustellen, bei der die Medikation dem Patienten verabreicht wird. Wenn die Medikations-Zuführeinheit 112 beispielsweise eine Infusionspumpe ist, kann die Medikationszuführ-Steuereinheit 108 die Medikations-Zuführeinheit 112 instruieren, die Infusionsrate zu erhöhen, wobei die Konzentration der Medikation in dem Blutstrom des Patienten erhöht wird. Die Schritte des Erfassens einer Veränderung in dem Patienten-Reaktionsprofil und die Anpassung an die erfasste Veränderung wird durch die Schritte 216 und 220 gezeigt.
Wie zuvor dargelegt, ist es vor dem Betrieb in der geschlossenen Regelkreis-Betriebsart bevorzugt, dass ein Patienten-Reaktionsprofil bestimmt wird. Für einige Medikationen ist es möglich, dass vorbestimmte Profile bereitgestellt werden können. Diese vorbestimmten Profile können basierend auf Patienteneigenschaften, wie z.B. Größe, Gewicht, Geschlecht etc. angepasst werden. Für die meisten Medikationen und speziell für Anästhetika ist die Wirkung der Medikation auf den Patienten jedoch hochgradig individuell. Für diese Medikationen ist es wünschenswert, das spezifische oder individuelle Reaktionsprofile des Patienten auf die Medikation zu bestimmen. 3 ist ein Flussdiagramm, das eine Technik zur Bestimmung eines Patienten-Reaktionsprofils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. In einem Schritt 304 wird dem Patienten ein anfängliches Medikationsniveau verabreicht. Dieses anfängliche Niveau erzielt eine anfängliche Medikationskonzentration in dem Blutstrom des Patienten.
In einem Schritt 308 wird die Wirkung auf diese anfängliche Konzentration gemessen. In der Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, wird die Wirkung der Medikation durch die Sensoreinheit 104 gemessen. Die Sensoreinheit 104 liefert Parameter an die Medikationszuführ-Steuereinheit 108, die dazu verwendet werden können, um die Wirkung der Medikation auf den Patienten 116 zu bestimmen oder zu quantifizieren.
In einem Schritt 312 wird die Medikationskonzentration erhöht, und die Wirkung dieser erhöhten Konzentration wird in Schritt 308 gemessen. Vorzugsweise ist die Erhöhung der Konzentration, die in Schritt 312 vorgesehen ist, eine stufenweise Erhöhung, die es erlaubt, die Wirkung spezifischer oder quantitativ bestimmbarer Konzentrationsniveaus auf den Patienten 116 zu messen.
Der Vorgang der Konzentrationserhöhung und des Messens der Wirkung der erhöhten Konzentration auf den Patienten wird wiederholt, bis ein endgültiges Konzentrationsniveau erreicht wird. Dies wird durch den Entscheidungsschritt 310 veranschaulicht. Es sollte erwähnt werden, dass das endgültige Konzentrationsniveau, das für die Bestimmung in Schritt 310 verwendet wird, vorzugsweise ein endgültiges Konzentrationsniveau ist, das erforderlich ist, um ein relativ exaktes Patienten-Reaktionsprofil zu erstellen. Es ist typischerweise nicht notwendig und höchstwahrscheinlich nicht wünschenswert, dass dieses endgültige Konzentrationsniveau das maximale Medikationsniveau ist, das in den Patienten 116 eingeleitet wird.
In einem Schritt 316 werden die gemessenen Wirkungen bei den verschiedenen Konzentrationsniveaus aufgetragen, um das Patienten-Reaktionsprofil zu bilden. Interpolation und Extrapolation können dazu verwendet werden, um eine vollständige Kurve aus den erhaltenen Datenpunkten zu erzeugen. Die allge meine Kenntnis über die Wirkung der Medikation kann für die Interpolation und die Extrapolation verwendet werden. Solch ein Wissen ist besonders nützlich für die Extrapolation bei den maximalen Konzentrationsniveaus in dem Patienten.
Wie oben dargelegt, passt sich die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 in Schritt 220 an ein sich veränderndes Profil an, um sicherzustellen, dass die gewünschte Wirkung bei dem Patienten 116 erreicht wird. 4 ist ein Flussdiagramm, das allgemein einen Vorgang darstellt, in dem diese Anpassung an ein sich veränderndes Profil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durchgeführt werden kann. In Schritt 408 bestimmt die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 einen ersten Betriebspunkt, der auf den aktuellen Parametern basiert. Speziell in einer Ausführungsform ist der aktuelle Betriebspunkt ein Medikationszuführniveau, das zu einem gewünschten Konzentrationsniveau führt, das zum Erreichen der gewünschten Wirkung auf den Patienten 116 basierend auf dem Patienten-Reaktionsprofil berechnet wurde. Wenn sich das Patienten-Reaktionsprofil verändert, wird das Reaktionsprofil in Schritt 410 basierend auf einem aktuellen Betriebspunkt wieder aufgetragen. Speziell in einer Ausführungsform wird das zuvor bestimmte Reaktionsprofil verschoben, so dass es sich mit dem neuen Betriebspunkt schneidet. Anwendungen dieser Ausführungsformen werden im Folgenden unter Bezug auf 5 detaillierter beschrieben.
In einem Schritt 412 wird das neu aufgetragene Reaktionsprofil von der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 verwendet, um sicherzustellen, dass die geeignete Medikationskonzentration durch die Medikations-Zuführeinheit 112 für den Patienten 116 geliefert wird, um die gewünschte Wirkung auf dem Patienten 116 zu erreichen.
5, die 5A, 5B und 5C umfasst, zeigt ein Beispiel-Patienten-Reaktionsprofil 500 und die Verschiebung eines Patienten-Reaktionsprofils 500 als eine Folge der Veränderung in der Patientenreaktion auf eine spezifische neue Situation. 5A zeigt ein Beispiel-Patienten-Reaktionsprofil 500, das als die Wirkung der Medikation auf den Patienten 116 gegen die Medikationskonzentration an der Wirkungsstelle des Patienten 116 aufgetragen ist. 5A zeigt, dass es für eine gewünschte Zielwirkung E₁ auf den Patienten 116 einen Punkt P₁ auf dem Patienten-Reaktionsprofil 500 gibt, für den es ein entsprechendes Konzentrationsniveau C₁ der Medikation in dem Patienten gibt.
Wie oben dargelegt, können externe Reize solch eine Veränderung im Patienten-Reaktionsprofil 500 auslösen. Einige Beispiele solcher externen Reize können eine zusätzliche Medikation einschließen, die dem Patienten verabreicht wurde; eine physikalische Aktivität, wie z.B. ein chirurgischer Reiz, Veränderungen in der Umgebung oder andere physikalische Reize; oder andere externe Reize. Um nur ein Beispiel zu zeigen, soll die Situation betrachtet werden, in der ein chirurgischer Reiz auf dem Patienten augeübt wird. Infolge dieses chirurgischen Reizes wird die Wirkung auf die ursprüngliche Medikationskonzentration E₁ auf den Patienten 116 verringert. Dieses Beispiel wird durch den Punkt P_S in 5A gezeigt, in dem sich die gemessene Wirkung des Konzentrationsniveaus der Medikation auf einen Patienten für ein Konzentrationsniveau C₁ auf E_S verringert und, wie deutlich gezeigt, nicht länger auf dem Patienten-Reaktionsprofil 500 ist. Um ein neues Medikationskonzentrationsniveau zu bestimmen, das erforderlich ist, um die gewünschten Wirkung E₁ auf den Patienten zu erzielen, wird daher ein neues Patienten-Reaktionsprofil 500 berechnet. Allerdings kann die Berechnung eines neuen Patienten-Reaktionsprofils 500 in der offenen Regelkreis-Betriebsart nicht anwendbar oder unmöglich sein. Aus diesem Grund wird der neue Betriebspunkt P_S als ein Startpunkt für die erneute Auftragung des Patienten-Reaktionsprofils 500 in einer verschobenen Position verwendet.
Zum Beispiel zeigt 5B die horizontale Verschiebung des Patientenantwortprofils 500, bis sich das verschobene Patienten-Reaktionsprofil mit dem Betriebspunkt P_S schneidet. Die Überschneidung des neuen Profils 501 mit dem Zielwirkungswert E1 wird, wie durch Punkt P₃ gezeigt, dazu verwendet, um die neue Konzentration der Medikation C₂ zu berechnen, die erforderlich ist, um die gewünschte Wirkung E₁ zu erreichen. Obwohl das Profil in diesem Beispiel als eine Verschiebung nach rechts gezeigt ist, sollte es klar sein, dass das Profil entweder nach rechts oder nach links verschoben werden kann, abhängig von der Reaktion auf den Reiz.
Alternativ kann das Patienten-Reaktionsprofil 500 vertikal in jede Richtung verschoben werden, um den neuen gemessenen Betriebspunkt P_S zu schneiden. Die Projektion des Schnittpunktes P₂ des neuen Profils 502 und des Zielwertes E₁ auf die Konzentrationsachse liefert die neue gewünschte Konzentration C₂, um den Zielwert E₁ zu erreichen. Wie es für den Fachmann nach dem Lesen dieser Beschreibung offensichtlich ist, kann das Patienten-Reaktionsprofil 500 sowohl in die X- als auch in die Y-Richtung verschoben werden, um den neuen Betriebspunkt P_S zu schneiden.
4. Ausführungsformen der Erfindung bei Anwendungen anästhetischer Arzneimittel
Wie oben beschrieben, ist eine Anwendung der Erfindung in dem Umfeld der Zuführung eines Anästhetikums, um einen gewünschten Beruhigungsgrad oder Beruhigungswirkung auf einen Patienten zu erreichen. Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden nun in Bezug auf dieses Beispielfeld beschrieben. Es gibt eine Vielzahl von Parametern, die einzeln oder in Kombination verwendet werden können, um die Wirkungen eines anästhetischen Arzneimittels auf einen Patienten zu überwachen. Ein Parameter, bekannt als der Bispektral-Index, kann dazu verwendet werden, um die hypnotische Wirkung des Anästhetikums auf die Hirnaktivität zu messen.
Zum Beispiel wird in einer Ausführungsform der Erfindung eine Bispektralanalyse des Patienten-EEG-Signals als ein Verfahren zur Überwachung der hypnotischen Wirkung eines anästhetischen Arzneimittels auf den Patienten verwendet. Das nichtlineare Verhalten von biologischen Systemen kann dazu neigen, Beziehungen zwischen sinusförmigen Komponenten der Signale zu erzeugen, wie z.B. das EEG. Diese Phasenkoppelungsinformationen zwischen verschiedenen Frequenzbändern des EEG-Spektrums wird typischerweise durch die normale Leistungsdichtespektrumsanalyse ignoriert. Die Bispektralanalyse versucht, die quadratische (zweite Ordnung), nicht-zufällige Phasenkopplung zu messen, die zwischen den Komponenten des EEG-Signals auftritt. Diese kann wichtige Informationen über das System, das das Signal erzeugt, und den Einfluss der Wechselbeziehungen zwischen verschiedenen Frequenzkomponenten (Phasenkopplung) und der nicht-stationären Komponente des menschlichen EEG-Signals liefern.
Durch die Identifikation vorhersagbarer und korrelierbarer Eigenschaften in u.a. dem EEG-Bispektrum und dem Zeitbereichspegel der Burst-supression kann ein Parameter mit vielen Varianten berechnet werden, der als der Bispektral-Index bezeichnet wird. Der Bispektral-Index ist ein quantitativ bestimmbarer Parameter, der im Stand der Technik gut bekannt ist. Der Bispektral-Index wird in dem US-Patent Nr. 5,792,069 beschrieben und ist in bispektrale EEG-Überwachungsgeräte eingebunden, wie bei denen, die von Aspect Medical Systems, Inc., aus Natick, Massachusetts, USA erhältlich sind.
Als solcher wird der Bispektral-Index von der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 dazu verwendet, um zu bestimmen, ob die gewünschte Wirkung, d.h. der Beruhigungsgrad für einen Patienten, erreicht worden ist.
Da sich die Kombination des EEG und der Hämodynamik gegenüber einem einzelnen Parameter als geeigneter zur Überwachung der Anästhesietiefe herausstellen kann, können sowohl Hämodynamik als auch der Bispektral-Index als Parameter in dem Regelkreis-System gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden. Wie zuvor dargelegt, ist es oft ein Ziel eines Medikations-Zuführsystems, eine gewünschte Wirkung auf den Patienten zu erzielen und aufrecht zu erhalten. Diese gewünschte Wirkung oder das gewünschte Niveau der Wirkung kann als der Sollwert oder Zielwert bezeichnet werden. Der Sollwert, der durch den Anästhesisten oder einen anderen Mediziner festgelegt wird, wird vorzugsweise angenähert und so genau wie möglich während dar Aufrechterhaltung der Anästhesie oder Beruhigung aufrechterhalten. Bevorzugt können dem Mediziner in einer Ausführungsform Sollwerte für die verschiedenen Variablen, die gesteuert werden müssen, als die Werte angeboten werden, die nach der Zuführung in einem Ruhestadium vor der Intubation gemessen worden sind. Die Sollwerte können gemäß der klinischen Bedürfnisse während des Verlaufs der Prozedur oder Behandlung des Patienten verändert werden.
6 ist ein Blockdiagramm, das eine Beispielimplementation einer Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 und einer anästhetischen Arzneimittelzuführumgebung zeigt, die den Hauptarteriendruck und den Bispektral-Index als Parameter in dem Regelkreis-Zuführsystem verwendet. Jetzt Bezug auf 6 nehmend, umfasst die Sensoreinheit 104, wie in dieser Beispielsausführungsform gezeigt, ein EEG-Überwachungsgerät 608 und eine Bispektral-Index-Einheit 612. Wie in 6 dargestellt, wird ein Patient 116 mit der EEG-Überwachungseinheit 608 verbunden. Vorzugsweise ist die EEG-Überwachungseinheit 608 ausgestaltet, um EEG-Daten zu empfangen und Berechnungen durchzuführen, um verarbeitete EEG-Daten zu gewinnen. Die Verarbeitung kann eine Bestimmung des Bispektral-Index, eines Supression-Verhältnisses und einer Artefaktinformation umfassen. Die Sensoreinheit 104 umfasst ferner eine Messeinheit 610 zur Bestimmung des Hauptarteriendruckes, der auch an die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 geliefert wird. Diese Parameter können über eine fest verdrahtete oder kabellose Kommunikationsschnittstelle zu der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 geliefert werden, z.B. eine RS-232-Schnittstelle, und werden als Korrelationen der Arzneimittelwirkungen verwendet. Der Bispektral-Index wird als eine gesteuerte Variable verwendet, während das Supression-Verhältnis und die Artefaktinformation in einer Ausführungsform als Sicherheitsparameter verwendet werden. In einer alternativen Ausführungsform können andere Signale (EEG oder EP) als gesteuerte Variable verwendet werden genauso wie andere verarbeitete Parameter, die aus diesen Signalen berechnet werden, wie z.B. die EEG-Spektralflanke, die mittlere Frequenz und die absolute und relative EEG-Leistung innerhalb verschiedener Frequenzbänder.
7 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 in dieser Beispielumgebung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. In einem Schritt 704 wird das Medikationszuführsystem gestartet. Vorzugsweise werden in diesem Schritt die individuellen anthropometischen Daten des Patienten eingegeben, z.B. Gewicht, Alter, Größe und Geschlecht. Zusätzlich können bei diesem Schritt der Ziel-Bispektral-Index und die Sicherheitswerte (z.B. Unterdrückungsverhältnisgrenze, MAP etc.) eingegeben werden. Vorzugsweise wird das System vor der Zuführung des Patienten gestartet. Zusätzlich bestimmt der Anästhesist die anfängliche Wirkungsstellenkonzentration. Der Anästhesist oder ein anderer Arzt können diese Eingangsdaten durch eine manuelle Eingabe eingeben, indem eine Benutzerschnittstelle verwendet wird, wie sie im Folgenden detaillierter beschrieben wird. Zusätzlich können diese Daten durch eine Kommunikationsschnittstelle eingegeben werden, z.B. durch ein lokales Bereichsnetzwerk (local area network) oder anderen Kommunikationswege, vorausgesetzt, dass diese Informationen für die Abfrage durch dieses Einrichtungen erhältlich ist.
In einem Schritt 708 wird der Zuführvorgang gestartet. In einem Schritt 712 beobachtet die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 während der Zuführung das Verhalten des Patienten auf eine spezifische Wirkungsstellenkonzentration des Anästhetikums. Diese Beobachtung wird durchgeführt, um es der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 zu ermöglichen, das individuelle Patienten-Reaktionsprofil zu berechnen. In dem Fall eines anästhetischen Arzneimittels ist das Reaktionsprofil in einer Ausführungsform eine pharmakodynamische Hill-Kurve. Speziell in einer Ausführungsform startet die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 eine Zuführung bei einer speziellen Wirkungsstellenkonzentration des Anästhetikums, die vorzugsweise durch den Anästhesisten eingestellt wird. Diese Konzentration wird automatisch in periodischen Intervallen mit vordefinierten Stufen erhöht. Zum Beispiel wird die Konzentration in einer Ausführungsform automatisch jede Minute mit einer stufenweisen Erhöhung von 0,5 μg/ml erhöht. Dieser Schritt wird als ein wirkungsstellengesteuerter offener Arzneimittelzufuhrregelkreis bezeichnet, der eine bevölkerungsbasierte, pharmakokinetischen Modellierung verwendet. Pharmakokinetische Modellierung ist in der Anästhesie-Fachwelt gut bekannt. Da große pharmakodynamische Schwankungen unter den Patienten Fehler verursachen können, wenn ein kombiniertes pharmakokinetisches-pharmakodynamisches Modell verwendet wird, verwendet die bevorzugte Ausführungsform eine individualisierte Hill-Kurve zur Einstellung der Zufuhr des anästhetischen Arzneimittels. Zusätzlich kann die Verwendung von mittleren bevölkerungsphar makokinetischen sowie mittleren bevölkerungspharmakodynamischen Werten für eine spezielle Dosierungsbehandlung in einem einzelnen Patienten zu einem erheblichen Dosierungsfehler führen. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens dieses Fehlers kann durch die Verwendung individualisierter Hill-Kurven zur Einstellung der Zuführung des anästhetischen Arzneimittels minimiert oder wenigstens reduziert werden.
In Schritt 714 berechnet die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 eine Infusionsbehandlung, um die vorgegebene Wirkungsstellenkonzentration zu erreichen. Die Infusionsbehandlung, die hinsichtlich der Bolus- und einer Instandhaltungsinfusion berechnet werden kann, kann in ml/h vorgegeben sein, die dazu verwendet werden, um die Medikations-Zuführeinheit 112 bei der Zuführung der Medikation zum Patient 116 zu steuern. Während der Infusion überwacht die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 die Parameter. Wenn der Ziel-Bispektral-Index erreicht ist, wird die Zunahme der Wirkungsstellenkonzentration gestoppt, und die Steuereinrichtung 108 berechnet automatisch die Hill-Kurve. Danach schaltet die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 automatisch von der offenen Regelkreissteuerung zu einer geschlossenen Regelkreissteuerung. Dies zeigen die Schritte 718 und 720.
In einem geschlossenen Regelkreis-Betrieb arbeitet die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 in der adaptiven Regelkreis-Betriebsart, wobei die Hill-Kurve, sofern erforderlich, verschoben wird, um die Konzentration zu verändern, um den gewünschten Beruhigungsgrad des Patienten 116 zu erreichen.
5. Medikationszuführ-Steuereinrichtungen
Die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 kann durch die Verwendung einer Vielzahl verschiedener Technologien durch eine Vielzahl verschiedener Architekturen implementiert werden, um das gewünschte Resultat zu erreichen. Wie oben dargelegt, ist es ein vorrangiges Ziel der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108, die resultierende Wirkung auf den Patienten 116 über die Parameter der Sensoreinheit 104 zu erfassen und die Medikationszuführrate einzustellen, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Vorzugsweise wird eine Prozessor-basierte, softwaregesteuerte Einheit dazu verwendet, um diese Funktion zu erfüllen. Die Prozessor-basierte Einheit umfasst eine Eingangsschnittstelle, um Parameter von der Sensoreinheit 104 zu empfangen, und eine Ausgangsschnittstelle, um Steuerungsinformationen an die Medikations-Zuführeinheit 112 zu liefern.
Wie einem Fachmann nach dem Lesen dieser Beschreibung klar ist, gibt es eine Anzahl von Einheiten und/oder Architekturen, die implementiert werden können, um diese Funktionen durchzuführen. Eine solche Beispielarchitektur ist in 8 gezeigt. Die Beispielarchitektur, die in 8 gezeigt ist, umfasst einen Prozessor 808, einen lokalen Speicher 812, eine Sensorschnittstelle 826 und eine Medikations-Zuführeinheit-Schnittstelle 830. Der Prozessor 808 kann implementiert werden, indem eine Vielzahl verschiedener Prozessortypen umfassend z.B. die X86-Familie von Prozessoren oder einen Pentium^®-Prozessor benutzt werden kann.
Der lokale Speicher 812 kann Arbeitsspeicher (RAM) und Lese-Speicher (ROM) umfassen. Der lokale Speicher 812 kann dazu verwendet werden, Programmbefehle abzuspeichern, die den Prozessor 808 steuern, Werte oder andere Variable, die bei dem Betrieb des Prozessors 808 bei der Ausführung der Programmbefehle verwendet werden, und Ergebnisse des Betriebs der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108.
Die Sensorschnittstelle 826 und die Medikations-Zuführeinheit-Schnittstelle 830 sind vorgesehen, um Schnittstellen für die Sensoreinheit 104 bzw. die Medikations- Zuführeinheit 112 bereitzustellen. Die Schnittstellen 826, 830 können als fest verdrahtete oder kabellose Schnittstellen ausgeführt sein. Eine Vielzahl an Kommunikationsstandards kann verwendet werden wie z.B. RS-232, RS-422 oder jeder von etlichen alternativen Kommunikationsstandards oder -protokollen.
Zusätzlich können Merkmale in der Architektur der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 enthalten sein, um eine verbesserte oder zusätzliche Funktionalität zu bieten. Diese zusätzlichen Merkmale können z.B. eine Anzeige 816, eine Datenschnittstelle 818, eine Benutzerschnittstelle 820 und eine lokale Speichereinheit 840 einschließen. Verschiedenartige Ausführungsformen von jeder dieser zusätzlichen Komponenten werden nun beschrieben. Die Anzeige 816 kann enthalten sein, um dem Anästhesisten oder einem anderen Arzt, der die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 verwendet, Informationen zu liefern. Die Anzeige 816 kann durch konventionelle Technik implementiert sein und kann z.B. als eine LCD- oder eine CRT-Anzeige ausgeführt sein. Die Anzeige 816 kann als eine einfache Nur-Text-Anzeige ausgestaltet sein, die den Anwender mit einer oder mehreren Textzeilen versorgt, die den Anwender über den Status oder den laufenden Betrieb informiert, der durch die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 durchgeführt wird. Alternativ kann die Anzeige 816 als eine herkömmliche Computeranzeige ausgestaltet sein, die dem Anwender Text und Graphiken anbietet, wie z.B. die, die bei vielen Windows^®-basierten Personalcomputern vorgefunden wird. Tatsächlich ist in einer Ausführungsform die Software, die dazu verwendet wird, um die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 zu steuern, ein Softwarepaket, das dazu ausgestaltet ist, unter dem Windows^®-Betriebssystem zu laufen. Die Anzeige 816 kann ferner als eine Touch-Screen-Anzeige ausgestaltet sein, um Anwendereingaben zu ermöglichen. Je nach Anwendung können auch alternative Anzeigeeinheiten oder -konfigurationen verwendet werden.
Die Benutzerschnittstelle 820 kann enthalten sein, um dem Anwender ein Mittel zur Eingabe von Anwenderdaten für die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 bereitzustellen. Die Benutzerschnittstelle kann z.B. eine Tastatur oder ein Tastenfeld, eine Zeigeeinheit wie z.B. eine Maus oder eine andere Zeigeeinheit und ein verschlüsseltes Etikettenlesegerät umfassen. Beispiele eines verschlüsselten Etikettenlesegerätes können z.B. Strichcode-Etikettenlesegeräte, Magnetstreifenlesegeräte, OCR-Lesegeräte oder andere Code-lesende Einheiten umfassen. Die Benutzerschnittstelle 820 kann durch den Arzt dazu verwendet werden, um Daten bereitzustellen, die von der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 während ihres Betriebes sowohl zur Steuerung oder auf andere Weise zur Veränderung des Betriebs der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 verwendet werden. Wie oben dargelegt, kann ein Benutzer die Patientenmerkmale, z.B. Größe, Gewicht, Alter und Geschlecht in die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 eingeben. Die Benutzerschnittstelle 820 kann bereitgestellt werden, um solche Eingaben zu ermöglichen.
Auch eine Datenschnittstelle 818 kann umfasst sein, um es der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 zu ermöglichen, Daten von anderen Einheiten oder Geräten zu empfangen oder diesen zur Verfügung zu stellen. Zum Beispiel können Patienteneigenschaften oder andere Daten für die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 über eine externe Datenbank oder eine andere externe Quelle erhältlich sein. Die Datenschnittstelle 818 kann als ein Durchgang zur Bereitstellung dieser Daten an die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 verwendet werden. In einer Ausführungsform kann die Datenschnittstelle 818 implementiert sein, indem eine Netzwerkschnittstelle verwendet wird, um es der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 zu ermöglichen, Informationen an eine oder mehrere Datenbanken oder anderen Einheiten in einem Computer-Netzwerk zu liefern oder von diesen zu erhalten. Die Datenschnittstelle 818 kann als eine fest verdrahtete oder eine kabellose Schnittstelle ausgeführt sein.
Vorzugsweise ist die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 als ein festes Gerät statt eines tragbaren Geräts ausgestaltet. Deshalb ist die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 dafür vorgesehen, um in eine Wechselstromsteckdose gesteckt zu werden. Allerdings können alternative Ausführungsformen implementiert werden, wobei die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 durch Batterien oder anderen tragbare oder transportable unabhängige Energiequellen betrieben wird. Natürlich muss die Auswahl von Komponenten, z.B. die Anzeige, speziell auf dem Energieverbrauch und den Wärmeleitungseigenschaften basierend getroffen werden.
Zusätzlich kann eine lokale Speichereinheit 814 umfasst sein, um Speicher für Daten oder zusätzlichen Speicher für Programmbefehle bereitzustellen. Der lokale Speicher 814 kann z.B. als ein Diskettenlaufwerk oder eine andere Speichereinrichtung ausgestaltet sein. Die lokale Speichereinheit 814 kann dazu verwendet werden, um eine Vielzahl an Patientendaten oder Medikationsdaten zu speichern sowie für die Speicherung des Ablaufs des Betriebs, der durch die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 durchgeführt wurde.
Wie zuvor dargelegt, gibt es etliche alternative Architekturen, die implementiert werden können, um die Funktionsweise der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 vorzusehen. Die zuvor unter Bezug auf 8 erläuterten Beispiele dienen lediglich als Beispiel. Nach dem Lesen dieser Beschreibung ist es für den Fachmann ersichtlich, wie die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 durch die Verwendung einer Anzahl alternativer Architekturen und Komponenten implementiert werden kann.
Wie erläutert, bestimmt die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 die Zuführparameter für die Medikation, die auf dem bestimmten Reaktionsprofil basieren. In einer Ausführungsform ist der Zuführparameter, der bestimmt wird, eine erforderliche Infusionsrate. Die Infusionsrate einer Medikation kann durch eine einfache mathematische Formel berechnet werden, die auf dem Unterschied zwischen dem gemessenen Wert und dem gewählten Zielwert basiert, der durch den Anwender eingestellt wurde. Herkömmliche Steuereinrichtungen arbeiten oft ohne Kenntnis des Arzneimittelmetabolismus und der erkannten Konzentrationswerte. Ohne eine Feinabstimmung für eine spezifische Situation können diese herkömmlichen Steuereinrichtungen zu langsam sein, um eine Steuerung zu bilden und werden wegen möglicher Schwingungen gefährlich für die Verwendung. Des Weiteren ist eine Feinabstimmung der herkömmlichen Steuergeräte schwierig, da der menschliche Körper und seine Reaktionen auf Medikationen sehr komplex sind. Im Ergebnis kann dies zu klinischen Schwierigkeiten führen, die auf das komplexe pharmakologische Verhalten der verwendeten Produkte, pharmakologische Schwankungen untereinander und Reaktionen des Patienten auf externe Reize zurückzuführen sind.
Eine Modell-basierte Steuereinrichtung kann dazu verwendet werden, um die Medikamentenverabreichung in Reaktion auf klinische Effekte zu steuern, wobei die Steuerung auf der Kenntnis des Arzneimittels und dessen Wirkung in dem menschlichen Körper fußend auf einem mathematischen Modell basiert. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Modell-basierte adaptive Steuereinrichtung verwendet, die die durch das Modell vorhergesagte Ausgabe mit den tatsächlichen Ausgabewerten vergleicht, um die Modellparameter für den Einzelnen einzustellen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung berechnet die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 einen Zielkonzentrationswert für ein TCI-System (Zielsteuertes Infu sionssystem), das für diese Konzentration durch Berechnung die entsprechende Infusionsbehandlung steuert. Durch die Verwendung eines TCI-Systems kann die Komplexität der Eingabe und Ausgabe verringert werden. Anders ausgedrückt, wenn das System sofort die Blut- oder Wirkungsstellenkonzentration anstelle der Pumpenrate steuern kann, muss das Verhalten dritter Ordnung des Anästhetikums oder einer anderen Medikation in dem Körper nicht durch die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 betrachtet werden, da das TCI-System dieses kompensiert. Demnach reduziert dies insgesamt die Ordnung des zu steuerenden Systems, was ein viel schnelleres Ergebnis liefert. Ferner ermöglicht dies einen einfachen Weg zur schnellen Überprüfung der Tätigkeit der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108, da eine bestimmte Blut- oder Wirkungsstellenkonzentration des Arzneimittels leicht einer bestimmten Wirkung zugeordnet werden kann. Darüber hinaus kann die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 so programmiert werden, dass sie nicht über bestimmte gefährliche Zustände hinausgeht, wie z.B. der Dosierung oder der Dauer einer Arzneimittelverabreichung.
In einer Ausführungsform verwendet die Erfindung RUGLOOP^® als PK TCI-Programm. Das RUGLOOP-Programm ist von Tom DeSmet und Michel Struys geschrieben worden und frei im Internet auf http://pkpd.icon-palo-alto.med.va.gov/ erhältlich. Eine andere Ausführung verwendet STANPUMP als das PK TCI-Programm; dieses Programm ist von Steven L. Shafer, M. D. von der Stanford University, Anesthesiology Service (112A) PAVAC, 3801 Miranda Avenue, Palo Alto, Kalifornien 94034 geschrieben worden und ist vom Autor frei erhältlich. Diese TCI-Programme sind dazu in der Lage, sowohl die Blut- als auch die Wirkungsstellenkonzentration zu steuern. RUGLOOP wird in einer Arbeit mit dem Titel "Ontwerp Van Een Computergestuurd closed-loop Anesthesiesysteem (Ausgestaltung eines computergesteuerten Regelkreises für ein Anästhesie-System)" beschrieben, die bei dem Department of Electronics and Information Systems, Faculty of Applied Sciences, University of Gent, 1995 eingereicht worden ist. Die Algorithmen in RUGLOOP sind von dem STANPUMP-Zielgesteuerten-Infusionsystem angepasst worden, das in Shafer, S. L. und Gregg, K. M., "Algorithms to Rapidly Achieve and Maintain Stable Drug Effect with a Computer-Controlled Infusion Pump", J. Pharmaceouinetics Biopharm. 20 (2): 147–169 und Shafer, S. L., Siegel, L. C., Cooke, J. E. und Scott, J. C., "Testing Computer-Controlled Infusion Pumps by Simultions", Anesthesiology, 68: 261–266, 1988 beschrieben ist. RUGLOOP ist frei von Aspect Medical Systems, Newton, MA erhältlich.
In einer Ausführungsform kann die Wirkungsstellen-Kompartment-Modellierung angewandt werden, um den pharmakokinetischen Teil mit dem pharmakodynamischen Teil zu verbinden. Dies wird durch die beobachtete Hysterese zwischen den gemessenen Blut/Arzneimittelkonzentrationen und jedem aktuell gemessenen Index der Arzneimittelwirkung (z.B. ein verarbeitetes EEG) angeregt. Diese Hysterese zwischen Pharmakokinetik und Pharmakodynamik kann durch eine Ratenkonstante k_e0 quantifiziert werden, indem die Faltung
verwendet wird, wobei C_e die Wirkungsstellenarzneimittelkonzentration und C die Plasmaarzneimittelkonzentration ist. Werte für k_e0 sind für verschiedene Arzneimittel in der Literatur bekannt. Je kleiner der Wert von k_e0 desto größer ist die zeitliche Hysterese zwischen den zentralen und den Kompartment-Wirkungsstellenkonzentrationen. Dieser zeitliche Verlauf der Arzneimittelwirkung läuft parallel zu dem zeitlichen Verlauf der Kompartmentwirkungsmodellierung. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, die Arzneimittelkonzentration in dem Wirkungskompartment statt in dem zentralen Kompartment zu steuern. Die Wirkungskompartmentmodellierung ist in der Fachwelt bekannt und durch Sheiner, et al., in Simultaneous Modeling of Pharmacokinetics and Pharmacodynamics: Application to d-tubocurarine, Clin pharmacol Ther, 1979; 25 (3): 358–71 beschrieben.
Die Pharmakodynamik beschreibt die Beziehung zwischen der Arzneimittelkonzentration und der Arzneimittelwirkung. Ein S-förmiges E_max-pharmakodynamisches Modell kann die Beziehung zwischen der Plasmaarzneimittelkonzentration C im Gleichgewicht und der Arzneimittelwirkung E beschreiben, die von keiner Wirkung, E₀, bis zu der Maximalwirkung, E_max, reicht. Dieses Modell verwendet die abfallende Hill-Gleichung, in der die Wirkung E durch den Hauptarteriendruck und den Bispektral-Index quantifiziert wird:
wobei γ eine Variable ist, die die Steigung und S-Förmigkeit der Kurve beeinflusst, und C₅₀ die stationäre Plasmaarzneimittelkonzentration ist, die die halbe maximale Wirkung auslöst. Wie zuvor beschrieben, wird in einer Ausführungsform der Erfindung ein bestehendes TCI-System verwendet, das es erlaubt, die Blut- oder Wirkungsstellenkonzentration als eine Variable zu verwenden, die die zu steuernde Wirkung beeinflusst, während eine alternative Ausführungsform die Pumpenrate verwendet. Bei der Ersteren wird die notwendige Zu- oder Abnahme der Blut- oder Wirkungsstellenkonzentration abgeleitet, wobei die invertierte Hill-Kurve der zu steuernden Variablen verwendet wird basierend auf einer Kenntnis der Wirkungsstellenkonzentration-Wirkung-Beziehung.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 durch die Kombination zweier identischer Steuereinrichtungen robuster gemacht werden. Eine Steuereinrichtung verwendet den Bispektral-Index als eine zu steuernde Variable und die andere verwendet den mittleren Arteriendruck. Diese Ausführungsform, die zwei Steuereinrichtungen verwendet, kann einen besseren Überblick über die tatsächliche Tiefe der Anästhesie bieten.
Indem die Hill-Gleichung verwendet wird, um die Beziehung zwischen der gemessenen Wirkung und der Wirkungsstellenkonzentration zu beschreiben, werden vier Konstanten (E₀, C₅₀, E_max und γΔ aus Gleichung 1) für den einzelnen Patienten abgeschätzt. Von diesen Werten wird die Wirkung der Null-Plasmaarzneimittelkonzentration, E₀, als eine Basislinie vor der Zuführung (d.h. bei C = 0) gemessen. Wie mathematisch bewiesen werden kann, ist es für kurze Zeitdauern und Konzentrationsveränderungen in eine Richtung (z.B. eine Zunahme im Falle der Zuführung) schwierig, wenn nicht unmöglich, eine Unterscheidung zwischen ε und k_e0 zu machen. Aus diesem Grund ist k_e0 aus der Literatur entgenommen worden. Siehe hierzu beispielsweise Billard, Gambus, Chamoun, Stanski und Shafer, "A comparison of Spectral Edge, Delta Power and Bispectral Index as EEG measures of alfentanil, propofol, and midazolam drug effect", Clinical Pharmacol Ther, 1997; 61 (1) 45–58. Man beachte jedoch, dass die neuere Forschung neue Werte für k_e0 aufzeigt. Deshalb könnte k_e0 schlussendlich seine Bedeutung wiedererlangen.
Die anderen Konstanten (E_max, C₅₀ und γ) können aus den gemessenen Konzentrationswerten und der Wirkung abgeschätzt werden, indem die Methode der kleinsten Quadrate verwendet wird. Gemäß diesem Ansatz kann die Summe der quadratischen Differenzen zwischen den unterschiedlichen gemessenen Werten und der abgeschätzten Kurve minimiert werden, so dass es möglich wird, die am besten passende Hill-Kurve zu gewinnen. Durch diesen Ansatz ist es möglich, das pharmakokinetische-pharmakodynamische Modell für den einzelnen Patienten zu optimieren. Da in einer Ausführungsform RUGLOOP verwendet wird, können die voreingestellten pharmakokinetischen Parameter ohne Veränderung verwendet werden. Für die Berücksichtigung der Pharmakodynamik für einen einzelnen Patienten, kann die Patienten-individualisierte Hill-Kurve wie zuvor beschrieben berechnet werden.
Eine Ausführungsform verwendet RUGLOOP, um eine gewünschte Wirkungsstellenkonzentration entsprechend einem bestimmten Wirkungssollwert zu steuern, der durch den Anästhesisten oder Arzt während des Anlaufvorgangs vorprogrammiert worden ist. Um den gewünschten Wirkungssollwert zu erreichen und aufrecht zu erhalten, werden die Berechnungen der notwendigen Wirkungsstellenkonzentration nach jeder Messung der Wirkungsparameter (Bispektral-Index und mittlerer Arteriendruck) gemacht. Um dies zu bewerkstelligen, verwendet die Erfindung die Hill-Kurve, die während des Anlaufvorgangs gemessen worden ist. Es ist allerdings wichtig zu bemerken, dass von der individuellen Hill-Kurve, die während der Zuführung gemessen worden ist, nicht garantiert werden kann, dass sie während der Operation oder einer anderern Stimulation gültig ist.
Wie zuvor mit Bezug auf 5 gezeigt und beschrieben, wird ein spezifisch ausgewählter Ziel-Wirkungswert E₁ gezeigt, und P₁ ist der Schnittpunkt zwischen dem Ziel-Wirkungswert und der berechneten Hill-Kurve. Die entsprechende tatsächliche gewünschte Wirkungsstellenkonzentration, um E₁ zu erreichen, ist C₁. Wenn sich die Wirkung aufgrund chirurgischer Aktivitäten oder einem anderen äußeren Reiz auf E_S verändert, liegt ein Versatz zwischen der neuen Wirkung E_S und der gewünschten Wirkung E₁ vor, die durch die Wirkungsstellenkonzentration C₁ vorhergesagt worden ist. Die Steuerungsverfahren, die in 5B und 5C gezeigt sind, schätzen die neue erforderliche Konzentration ab, um die gewünschte Wirkung E₁ zu erhalten, indem eine horizontale oder vertikale Bewegung der einzelnen Hill- Kurve verwendet wird, die für den Patienten wie oben beschrieben abgeleitet worden ist.
Das erste Steuerungsverfahren, das in 5B gezeigt ist, nimmt an, dass, wenn eine Messung der Wirkung zu einem speziellen Zeitpunkt (E_S) nicht der Wirkung entspricht, die durch die verwirklichte Konzentration und die Zuführungs-Hill-Kurve zu dem Zeitpunkt vorhergesagt worden ist, die gewünschte Wirkung durch Erhöhung der Wirkungsstellenkonzentration um denselben Wert, wie er notwendig wäre, um von der gemessenen Wirkung zu der gewünschten Wirkung während der Zuführung zu gelangen, erreicht werden kann. Mathematisch werden die operativen Manipulationen und andere externe Reize als eine Verschiebung der Zuführungs-Hill-Kurve horizontal nach rechts zu der Position betrachtet, bei der die aktuelle Wirkungsstellenkonzentration C₁ die gemessene Wirkung E_S produziert. Wie dargelegt, kann die Verschiebung entweder nach rechts oder links gehen, was eine Zunahme oder Abnahme von C₂ im Vergleich zu C₁ und eine Wirkung E_S bewirkt, die abhängig von der Verschiebungsrichtung höher oder niedriger als E₁ sein kann. Das zweite Steuerungsverfahren, das in 5C gezeigt ist, erzielt die gewünschte Wirkung durch die Annahme, dass die tatsächlich gemessene Wirkung auf der vertikal bewegten Zuführskurve bei der tatsächlichen Wirkungsstellenkonzentration liegt. Die neue gewünschte Konzentration kann dann, wie in 5C gezeigt, sofort von der bewegten Zuführungskurve bei dem gewählten Sollwert abgelesen werden.
Eine Beispielimplementation verwendet den Bispektral-Index und den mittleren Arteriendruck, um die Zielwirkungsstellenkonzentration mit einem TCI-Algorithmus gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zu steuern. In dieser Ausführungsform können die gewünschte Wirkungsstellenkonzentration, der Bispektral-Index und der mittlere Arteriendruck jeweils dazu verwendet werden, um eine Zielwirkungsstellenkonzentration zu be stimmen. Zumindest der Bispektral-Index oder der mittlere Arteriendruck können unabhängig oder zusammen dazu verwendet werden, eine Zielwirkungsstellenkonzentration zu bestimmen. Beide Werte, die durch diese unabhängigen Verfahren bestimmt worden sind, können dazu verwendet werden, um eine gemeinsame Zielwirkungsstellenkonzentration zu bestimmen. In einer Ausführungsform können geeignete Gewichtungsfaktoren und Differentialfaktoren auf die Werte bei der Berechnung der gemeinsamen Zielwirkungsstellenkonzentration angewandt werden. Zusätzlich können ebenfalls Sicherheitsbegrenzungen berücksichtigt werden. Die gemeinsame Zielwirkungsstellenkonzentration wird durch den RUGLOOP TCI-Algorithmus verwendet, um den notwendigen Infusionsablauf für das Anästhetikum zu berechnen. Diese Algorithmen werden dazu verwendet, um eine Infusionspumpe oder ein anderes Bauteil anzusteuern, um einem Patienten 116 die entsprechende Medikation zu verabreichen. In einer Ausführungsform ist die verabreichte Medikation das Anästhetikum Propofol (Diprivan^®, Zeneca, Ltd.).
Es ist wichtig, zu bemerken, dass die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 unabhängig von einem zu- oder abnehmenden Verlauf der gesteuerten Variablen und der Geschwindigkeit des Verlaufs arbeitet. Demzufolge kann der Betrieb der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 bewirken, dass die tatsächliche Wirkungsstellenkonzentration über die gewünschte Wirkungsstellenkonzentration hinausschießt, wobei die Korrektur davon ungewollte Schwingungen und Instabilitäten während der Anästhesie bewirken kann. Um dieses zu berücksichtigen, kann die zuvor beschriebene Ausführungsform verändert werden, um den Unterschied zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wirkungsmessungen zu verwenden, der mit einem Differentialfaktor multipliziert wird. Die Wirkungsstellenkonzentrationen können aus den Wirkungsmessungen durch die Lösung von Gleichung 1 nach der Plasmakonzentration C berechnet werden, wobei diese inverse Lösung die inverse Hill-Beziehung (C = H^–1(E)) genannt wird. Gleichung 0 kann dann dazu verwendet werden, um die Wirkungsstellenkonzentration entsprechend der Werte der Wirkungsmessungen zu berechnen. Der Differentialfaktor kann durch den Anästhesisten während des Anlaufvorgangs ausgewählt werden. Speziell kann die Medikationszuführ-Steuereinrichtung in einer Ausführungsform implementiert sein, um
zu berechnen.
Wie dargelegt, verwendet die zuvor beschriebene Ausführungsform sowohl den Bispektral-Index als auch den mittleren Arteriendruck als gesteuerte Wirkungsmaße. Es ist nützlich, die relative Gewichtung der berechneten Wirkungsstellenkonzentrationen zu wählen, indem jedes dieser Wirkungsmaße verwendet wird. Nach der Berechnung der gewünschten Wirkungsstellenkonzentration für jedes gesteuerte Wirkungsmaß wird eine gewichtete mittlere Wirkungsstellenkonzentration berechnet. Dieser Mittelwert wird dazu verwendet, um eine neue Infusionsbehandlung zu berechnen. In einer Ausführungsform wird das Mittel zu RUGLOOP gesendet, um in dem PK-Algorithmus berücksichtigt zu werden, um die neue Infusionsbehandlung zu berechnen. Die Gewichtungen der Wirkungsmaße können durch den Anästhesisten vor oder während der Operation gemacht werden.
Da ein Übermaß in der Verabreichung von Propofol oder anderen Anästetika für den Patienten gefährlich sein kann, können Grenzen und Sicherheitswerkzeuge gemäß einer Ausführungsform der Erfindung implementiert sein. In Ausführungsformen, die das bispektrale EEG-Überwachungsgerät verwenden, kann das Burst-suppression-Verhältnis berechnet werden und als ein Zeichen für sehr tiefe Anästhesie verwendet werden. Das Suppression-Verhältnis, das ein Zeitbereichs-EEG-Parameter ist, zeigt den Anteil eines gegebenen Zeitraums an, der durch ein isoelektrisches EEG repräsentiert wird.
In einem Regelkreissystem kann ein Suppresion-Verhältnis von mehr als 10% z.B. als eine Grenze für die maximale Wirkungsstellenkonzentration verwendet werden. Wenn es als Maximum eingestellt ist, ist es nicht erlaubt, dass eine weitere Zunahme der Wirkungsstellenkonzentration verabreicht wird, auch wenn die Medikationszuführ-Steuereinheit einen höheren Pegel berechnet. In einer Ausführungsform, die Propofol implementiert, kann eine Wirkungsstellenkonzentration von 10 μg/ml als ein maximaler Pegel definiert werden, um überhöhte und gefährliche Propofol-Pegel zu vermeiden. Demnach kann die Wirkungsstellenkonzentration in dieser Ausführungsform auf diesen Pegel beschränkt werden, und es kann ein Alarm ausgelöst werden, wenn der Pegel erreicht ist. Das Bispektral-Index-Überwachungsgerät liefert mit seiner Information einen Fehlerstrangcode. Dieser Fehlerstrangcode kann dazu verwendet werden, um Artefakte in dem verarbeiteten EEG-Signal zu detektieren. Dann können diese tatsächlichen Bispektral-Index-Zahlen von der weiteren Analyse ausgeschlossen werden.
In einer Ausführungsform können die eingehenden gesteuerten Variablen weggeschnitten werden, wenn elektromagnetisches Rauschen durch ein Artefaktdetektionssystem in dem EEG-Überwachungsgerät detektiert wird. Ein Alarmsignal wird von der Sensoreinheit 104 zu der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 gesandt, das anzeigt, dass die eingehenden Signale in weiteren Berechnungen ignoriert werden sollen. Wenn dies auftritt, kann auch ein hörbarer oder sichtbarer Alarm für den Anästhesisten oder Anwender des Systems gegeben werden, so dass sie sich dessen bewusst sind, was passiert. In einer Ausführungsform können hörbare oder sichtbare Alarme mit der Steuereinheit 104 und der Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 bereitgestellt werden.
Wie zuvor dargelegt, können andere lebenswichtige Parameter dazu verwendet werden, Veränderungen zu bestimmen, die bei der Verabreichung der Medikation gemacht werden müssen. Zum Beispiel können bei einer anästhetischen Anwendung Parameter, wie z.B. SpO₂, ETCO₂ und HR, durch den Prozessor aufgezeichnet werden, um eine sichere Verabreichung der Medikation zu überwachen. Alarme können vorgesehen werden, um den Anästhesisten oder Anwender vor gefährlichen Situationen zu warnen.
Wie zuvor dargelegt, kann die Medikations-Zuführeinheit 112 durch die Verwendung einer Vielzahl an Technologien implementiert werden. In einer Ausführungsform wird eine Graseby^® 3400-Infusionspumpe als eine Medikations-Zuführeinheit 112 implementiert. Diese Pumpe ist dazu in der Lage, mit einer Steuereinheit über eine RS-232-Schnittstelle zu kommunizieren. Die Pumpeninfusionsraten können in diesen Ausführungsformen durch die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 zwischen 0 und 1200 ml/h eingestellt werden. Es ist wichtig zu beachten, dass Probleme mit einer geeigneten Arzneimittelverabreichung, die Spritzenpumpen verwendet, auftreten können, wenn sich die Infusionsraten sehr häufig ändern, speziell in dem niedrigen Ratenbereich. Insbesondere nimmt der Fehler bei einigen Pumpen zwischen dem berechneten Infusionsvolumen und dem realen verabreichten Volumen mit zunehmender Ratenveränderungshäufigkeit und abnehmender durchschnittlicher Verabreichungsrate zu. Daher sollten Vorsichtsmaßnahmen in dem Algorithmus vorgenommen werden, um die Häufigkeit des Sendens einer neu berechneten Pumpenrate an die Infusionspumpe zu senken. Zum Beispiel wird anstelle eines Sendens einer neuen berechneten Rate an die Pumpe alle drei Sekunden die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 konfiguriert, um eine neue berechnete Pumpenrate alle 10 Sekunden zu senden, was zu einer genaueren Verabreichung führt. In diesem speziellen Beispiel ist das 10 Sekunden-Intervall gewählt, da es der Zeitbereich für eine neue Berechnung aus dem pharmakokinetischen Modellalgorithmus ist.
In einer Ausführungsform ist aus Sicherheitsgründen die Möglichkeit für den Anästhesisten gegeben, während der Medikationsverabreichung zu einer Steuerung mit offenem Regelkreis zurückzukehren. In dieser Betriebsart verbleibt die Steuereinrichtung in einer Standby-Betriebsart, und das Patienten-Reaktionsprofil ist verfügbar, wenn es gewünscht ist, zu der geschlossenen Regelkreis-Betriebsart zurückzukehren. In der offenen Regelkreis-Betriebsart kann die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 eingestellt werden, um die Medikation bei einer speziellen Konzentration, wie durch den Anwender eingestellt, zuzuführen. In einer Ausführungsform verbleibt die Medikationszufuhr-Steuereinrichtung 108 in Betrieb, auch wenn die Medikationsverabreichung abgebrochen oder durch den Anwender angehalten wird, und fährt damit fort, die Konzentration der Medikation des Patienten zu berechnen, auch wenn keine Medikation zugeführt wird. Daher kann, nachdem der Anwender wünscht, die Handsteuerung zu stoppen, die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 wieder in die geschlossene Regelkreis-Betriebsart eintreten und ihre Tätigkeit neu beginnen. Hierbei verwendet die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 die verbleibende Konzentration der Medikation zu diesem Zeitpunkt und berechnet, wieviel Medikation notwendig ist, um die Sollwert-Konzentration zu erreichen und aufrecht zu erhalten.
Die individuelle Hill-Kurve, die bei der Zuführung berechnet worden ist, verwendet eine statistisches Verfahren der kleinsten Quadrate, um die am besten passende Hill-Kurve um die gemessenen Parameter herum zu berechnen. In einer Ausführungsform fragt die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 den Anästhesisten oder Anwender, ob er oder sie mit dem niedrigsten berechneten Punkt für die Hill-Kurve übereinstimmt. Wenn dieser niedrigste Wert keinen Sinn macht, kann der Anäs thesist oder Anwender, indem er klinisches Urteilsvermögen und Erfahrung verwendet, den Wert in einen niedrigeren oder höheren Pegel verändern. Dann kann die Hill-Kurve mit dem neuen niedrigsten Wert neu berechnet werden.
Wie zuvor dargelegt, verwendet die Regelkreis-Steuereinrichtung in einer Ausführungsform die Patienten-individualisierte pharmakodynamische Beziehung, die während der Zuführung berechnet worden ist, um den Betrieb der Steuereinrichtung zu regeln. Während des Regelkreisbetriebs verwendet die Medikationszuführ-Steuereinrichtung 108 die gemessenen Werte, um einen Zielkonzentrationswert für das Zuführeinheit-Programm zu berechnen, das die entsprechende Infusionsbehandlung durchführt. Ein TCI-System kann dazu verwendet werden, um die Komplexität des Eingangs und Ausgangs zu reduzieren, da es ermöglicht, auf die Blut- oder Wirkungsstellenkonzentration anstelle der Pumpeninfusionsrate abzustellen. Infolgedessen wird das Verhalten dritter Ordnung der Pharmakokinetik der Anästhetika in dem Körper umgangen. Dies führt zu einer reduzierten Ordnung insgesamt des zu steuernden Systems und gewährleistet bessere Ergebnisse als die Verwendung einer PID-Steuereinheit (proportional-integral-derivativ), um die Infusionsrate zu steuern.
Eine Ausführungsform verwendet zwei Steuereinrichtungen, um den Unterschied zwischen der gemessenen und der gewünschten Wirkung zu minimieren, während die entsprechende Wirkungsstellenkonzentration berechnet wird, indem die Patientenspezifische Hill-Kurve verwendet wird, wie nun beschrieben wird. Wie zuvor unter Bezug auf 5 beschrieben, kann die Wirkung in Reaktion auf einen externen Reiz von einem Ziel-Wert E₁ auf eine neue Wirkung E_S erhöht werden. Infolgedessen besteht eine Abweichung zwischen der aktuellen Wirkung und der gewünschten Wirkungsstellenkonzentration. In der Ausführungsform, die in 5B gezeigt ist, kann die gewünschte Wirkung durch die Erhöhung der Wirkungsstellenkonzentration um denselben Wert, der notwendig wäre, um von der gemessenen Wirkung E_S zu der gewünschten Wirkung E₁ überzugehen, erreicht werden. Dies wird gezeigt durch:
oder hinsichtlich 5B C2 = C1 + H–1(E1) – H–1(ES),wobei H^–1 für die inverse Hill-Kurvenbeziehung steht und C_effect die Konzentration bei der Wirkungsstelle ist. Mathematisch können chirurgische Manipulationen als eine Verschiebung der Zuführungs-Hill-Kurve nach rechts betrachtet werden, so dass die aktuelle Wirkungsstellenkonzentration die neue gemessene Wirkung nach dem Reiz vorhersagt.
Das zweite Steuerungsverfahren, das in 5C gezeigt ist, sagt aus, dass, wenn eine Messung der Wirkung zu einem speziellen Zeitpunkt (E_S) nicht mit der Wirkung (E₁) übereinstimmt, die durch die erzielte Konzentration C₁ und die Zuführungs-Hill-Kurve vorhergesagt wurde, die gewünschte Wirkung durch die Annahme erreicht wird, dass die tatsächlich gemessene Wirkung auf der vertikal verschobenen Zuführungskurve bei der Wirkungsstellenkonzentration liegt. Die neue gewünschte Konzentration kann dann sofort aus der verschobenen Zuführungskurve H_S bei der gewünschten Wirkung abgelesen werden. In einer Ausführungsform kann dies beschrieben werden als:
In einer alternativen Ausführungsform kann dies allerdings beschrieben werden als:
oder hinsichtlich der 5C: C2 = C1 + (C1 – HS –1(HS(C1) + E1 – ES)).
Es ist wichtig, zu bemerken, dass die Regelkreisregulierung im Wesentlichen integrierend ist, da der Körper des Patienten wie ein Integrator in dem Kreis wirkt. Aus diesem Grund ist es vorzuziehen, dass große Proportionalitätsfaktoren aus Gründen des Risikos der Instabilität nicht in dem Regelkreis verwendet werden.
6. Pharmakologische Modelle
Pharmakologische Modelle können dazu verwendet werden, um die Antwort eines Körpers auf die Verabreichung eines Medikamentes zu beschreiben. Das pharmakologische Modell wird typischerweise in zwei Teile geteilt: Das pharmakokinetische Verhalten eines Arzneimittels, was die Beziehung zwischen der Infusionsbehandlung des Arzneimittels und der korrespondierenden Arzneimittelkonzentration im Blut bezeichnet, einerseits und das pharmakodynamischen Verhalten, was die Beziehung zwischen der Blutkonzentration des Arzneimittels und seiner Wirkung quantitativ beschreibt.
Das pharmakokinetische Verhalten kann modelliert werden, indem eine lineare Differentialgleichung erster, zweiter oder dritter Ordnung verwendet wird. Diese Gleichungen haben eine korrespondierende Impulsreaktion, die in diesem Fall der zeit liche Verlauf der Blutkonzentration nach einer Bolus-Zuführung des Arzneimittels ist. Diese Impulsreaktion hat immer die folgende Form für ein 3-Kompartmentmodell: c(t) = A·e–at + B·e–bt + C·e–ct (6)
In dieser Gleichung kann einer oder zwei Koeffizienten für ein pharmakokinetisches 2- oder 1-Kompartment-Arzneimittelmodell gleich Null sein. Die Kurve kann leicht aus Blutproben berechnet werden oder auf bekannten Modellen basieren.
Die vorausgesetzte Linearität des Modells führt zu dem Vorteil, dass die Wirkung der vielen verschiedenen gleichzeitigen unterschiedlichen Reizen gleich der Summe der separaten Wirkungen der Reiz ist, in diesem Fall vielen Bolus-Dosen und/oder Infusionen. Dies erlaubt TCI-Systemen, die Blutkonzentration zu verfolgen, indem sie die Impulsreaktion c(t) in der folgenden Gleichung für eine Blutkonzentration C(t) in Reaktion auf eine Arzneimittelzugabefunktion für die Zeit I(t) verwenden:
Ebenfalls aufgrund der Linearität kann die Funktion C(t) umgekehrt dazu benutzt werden, um die erforderliche Infusionsrate für jeden Zeitpunkt zu berechnen, wenn eine bestimmte Blutkonzentration geplant ist.
Das pharmakodynamische Verhalten eines Arzneimittels wird normalerweise durch die nichtlineare Hill-Kurve beschrieben:
In der obigen Gleichung bestimmt γ die Steigung der Kurve.
Für die meisten Arzneimittel wird eine bestimmte Zeitverzögerung zwischen der Zeit der maximalen Blutkonzentration und der maximalen Wirkung nach der Bolus-Infusion festgestellt. Das bedeutet, dass die Konzentration C in der Gleichung nicht die Blutkonzentration sein kann. Ein (virtuelles) Wirkungsstellen-Kompartment und eine zusätzliche Zeitkonstante k_e0, die den Zeitversatz zwischen der Blut- und der Wirkungsstellenkonzentration des Arzneimittels beschreibt, löst dies. Der Zeitversatz wird durch die Verwendung der folgenden Differentialgleichung erster Ordnung beschrieben:
Das Wirkungsstellen-Kompartment wird als klein genug betrachtet, um nicht die Verteilung des Arzneimittels in dem Blut zu beeinflussen.
Die pharmakologischen Arzneimittelmodellparameter können normalerweise durch die Verwendung von bevölkerungsbasierter pharmakologischer Modellierung abgeleitet werden. Es kann sowohl praktisch und auch ökonomisch schwierig wenn nicht unmöglich sein, alle verschiedenen pharmakologischen Parameter für den spezielle Patient in Behandlung zu extrahieren. Es gibt keine Garantie, dass der spezielle Patient, der für die Operation oder Arzneimittelzuführung vorbereitet wird, dieselben Parameter hat.
Da korrekte Parameter unweigerlich das Verhalten der Steuereinrichtung verbessern, kann ein spezielles Verfahren dazu verwendet werden, die höchstwahrscheinlich relevanten Parameter für den speziellen Patienten, der schon für die Operation vorbereitet ist, zu bestimmen. Dann wird die Reaktion des Patienten auf das Arzneimittel während der Zuführung überwacht. Dennoch ist es häufig aufgrund der relativ großen Halbwertszeit solcher Medikationen, z.B. Propofol, unpraktisch, den Patienten einschlafen zu lassen, ihn oder sie durch die Verringerung der Konzentration aufzuwecken und anschließend die Konzentration wieder zu erhöhen. Dies könnte untragbaren Stress für den Patienten bewirken und benötigt zuviel Zeit.
Wie zuvor erwähnt, wurde RUGLOOP dazu verwendet, die PK-Aspekte der Steuereinrichtungen zu steuern (durch die Berechnung einer Infusionsrate aus einer gewünschten Wirkungsstellenkonzentration). Da die TCI-Algorithmen und Drei-Kompartmentmodelle gut für die meisten üblichen anästhetischen Agenzien charakterisiert sind, können die RUGLOOP PK-Parameter ohne Veränderungen verwendet werden. Zusätzlich zeigt die Hill-Gleichung, dass der absolute Wert der Blutkonzentration in dem Fall nicht relevant ist, wenn C₅₀ durch die Verwendung desselben Modells abgeleitet wird. Dies bedeutet, dass nur die Parameter k_e0, C₅₀, γ, E₀ und E_max übrig sind, für den speziellen Patienten abgeschätzt werden zu müssen. Es kann mathematisch bewiesen werden, dass es nicht möglich ist, sowohl k_e0 als auch γ zu messen, wenn eine zunehmende Arzneimittelkonzentration für eine kurze Zeit verwendet wird – d.h. relativ zu der Halbwertszeit des Produktes, das infundiert werden soll. Man betrachte beispielsweise eine stufenweise Erhöhung in der Plasmakonzentration. Die Wirkungsstellenkonzentration ergibt sich gemäß
Die Hill-Kurve ergibt dann die zugehörige Wirkung:
Die Reihenentwicklung von
führt für kleine k_e0t zu k_e0t, was dazu führt:
7. Software-Ausführungsformen
Die verschiedenen Komponenten der Erfindung können durch Hardware, Software oder eine Kombination von beiden implementiert sein. 9 ist ein Blockdiagramm, das ein Computersystem für einen allgemeinen Zweck zeigt einschließlich Beispielen computerlesbarer Medien zur Bereitstellung von Computersoftware oder Befehlen, um die hierin beschriebene Funktionen durchzuführen. Das gezeigte Computersystem 902 umfasst einen oder mehrere Prozessoren, z.B. Prozessor 904. Der Prozessor 904 ist mit einem Kommunikationsbus 906 verbunden. Verschiedene Software-Ausführungsformen werden hinsichtlich dieses Beispielcomputersystems beschrieben. Nach dem Lesen dieser Beschreibung wird es für einen Fachmann ersichtlich sein, wie die Erfindung implementiert werden kann, wenn andere Computersysteme oder Computerarchitekturen verwendet werden, einschließlich z.B. die Architekturen oder Teile der Architekturen, die in 1, 6 und 8 gezeigt sind.
Das Computersystem 902 umfasst ferner einen Hauptspeicher 908, vorzugsweise Arbeitsspeicher (RAM), und kann ferner einen zweiten Speicher 910 umfassen. Der zweite Speicher 910 kann z.B. ein Festplattenlaufwerk 912 und/oder ein abnehmbares Speicherlaufwerk 914 umfassen, was durch ein Diskettenlaufwerk, ein Magnetbandlaufwerk, ein optisches Plattenlaufwerk etc ausgeführt sein kann. Das abnehmbare Speicherlaufwerk 914 liest von und/oder schreibt auf das abnehmbare Speichermedium 928. Das abnehmbare Speichermedium 928 stellt eine Diskette, Magnetband, optische Diskette etc. dar, das durch das abnehmbare Speicherlaufwerk 914 gelesen und beschrieben wird. Es ist klar, dass das abnehmbare Speichermedium 928 ein computerverwendbares Speichermedium umfasst, das Computersoftware und/oder -daten enthält.
In alternativen Ausführungsformen umfasst der zweite Speicher 910 andere ähnliche Einrichtungen, um es Computerprogrammen oder anderen Anweisungen zu ermöglichen, in das Computersystem 902 geladen zu werden. Solche Einrichtungen können z.B. eine abnehmbare Speichereinheit 922 umfassen und eine Schnittstelle für eine abnehmbare Speichereinheit 920. Beispiele hierfür können eine Programmkassette und eine Kassettenschnittstelle (z.B. solche, die in Videospielanordnungen zu finden sind), einen entfernbaren Speicherchip (z.B. ein EPROM, PROM oder eine andere Speichereinheit) und ein verbundener Sockel und andere abnehmbare Speichereinheiten 922 und Schnittstellen für eine abnehmbare Speichereinheit 920 umfassen, die es erlauben, dass Software und Daten von der abnehmbaren Speichereinheit 922 zu dem Computersystem 902 übertragen werden. In einigen Ausführungsformen kann die abnehmbare Speichereinheit 922 permanent an der Schnittstelle für die abnehmbare Speichereinheit 920 befestigt sein.
Das Computersystem 902 kann ferner eine Kommunikationsschnittstelle 924 umfassen. Die Kommunikationsschnittstelle 924 ermöglicht es, dass Software und Daten zwischen dem Computersystem 902 und externen Bauteilen übertragen werden können. Beispiele einer Kommunikationsschnittstelle 924 können ein Modem, eine Netzwerkschnittstelle (wie z.B. eine Ethernetkarte), einen Kommunikationsanschluss, einen PCMCIA-Schlitz und -Karte etc. umfassen. Software und Daten, die über die Kommunikationsschnittstelle 924 übertragen werden, liegen in Form von Signalen, die elektronisch, elektromagnetisch, optisch sein können, oder anderen Signale vor, die dazu geeignet sind, von der Kommunikationsschnittstelle 924 empfangen zu werden. Diese Signale werden über einen Channel 928 an die Kommunikationsschnittstelle 924 geliefert. Dieser Channel 928 überträgt die Signale und kann als ein drahtloses Medium, Draht oder Kabel, Faseroptik oder andere Kommunikationsmedien ausgestaltet sein. Einige Beispiele eines Kanals können eine Telefonleitung, eine Mobiltelefonverbindung, eine Funkverbindung, ein Netzwerk, das Internet oder andere Kommunikationskanäle einschließen.
In dieser Veröffentlichung werden die Begriffe "Computerprogramm-Medium" und "computerverwendbares Medium" dazu verwendet, um sich allgemein auf Medien zu beziehen, wie z.B. das abnehmbare Speichermedium 928, eine Festplatte, die in dem Festplattenlaufwerk 912 installiert ist, eine abnehmbare Speichereinheit 922 und Signale auf dem Channel 928. Diese Begriffe können sich ferner auf einen Hauptspeicher 908 beziehen, in dem der Hauptspeicher 908 ein Computerprogramm oder ein Teil davon speichert. Diese Computerprogramm-Produkte sind Mittel zur Bereitstellung von Software für das Computersystem 902.
Die Computerprogramme oder -befehle (auch Computersteuerlogik genannt) können in einem Hauptspeicher 908 und/oder einem zweiten Speicher 910 gespeichert sein. Computerprogramme können auch über die Kommunikationsschnittstelle 924 empfangen werden. Solche Computerprogramme erlauben, wenn sie ausgeführt werden, dem Computersystem 902, die Merkmale der vorliegenden Erfindung, wie hierin diskutiert, auszuführen. Insbesondere befähigen die Computerprogramme, wenn sie ausgeführt werden, den Prozessor 904 dazu, die Merkmale der vorliegenden Erfindung auszuführen. Hiernach stellen solche Computerprogramme Steuereinrichtungen des Computersystems 902 dar.
In einer Ausführungsform, in der die Elemente implementiert sind, indem Software verwendet wird, kann die Software in einem Computerprogrammprodukt gespeichert sein und in das Computersystem 902 geladen werden, indem ein abnehmbares Speicherlaufwerk 914, eine abnehmbare Speichereinheit 922 und eine Festplatte 912 oder eine Kommunikationsschnittstelle 924 verwendet wird. Die Steuerlogik (Software) bewirkt, wenn sie – durch den Prozessor 904 ausgeführt wird, dass der Prozessor die Funktionen der Erfindung, wie hierin beschrieben, durchführt.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Elemente hauptsächlich als Hardware implementiert, z.B. Hardwarekomponenten, wie z.B. anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs). Implementierungen als Hardware-Geräte, um die hierin beschriebenen Funktionen durchzuführen, sind für Fachleute offensichtlich. Obwohl sie nicht ein "Computerprogramm" im traditionellen Sinne sind, können die Hardwarekomponenten als ein Computerprogrammmedium verstanden werden (wenn auch möglicherweise verdrahtet), das das System in die Lage versetzt, die beschriebenen Funktionen durchzuführen. In noch einer anderen Ausführungsform sind die Elemente als eine Kombination sowohl von Hardware als auch Software implementiert. In dieser Ausführungsform kann man sich die Kombination der Hardware und der Software ähnlich vorstellen wie ein Computerprogrammmedium, das das System dazu in die Lage versetzt, die beschriebene Funktionen durchzuführen.
8. Schlussfolgerung
Obwohl verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zuvor beschrieben worden sind, sollte es offensichtlich sein, dass sie nur beispielhaft und nicht beschränkend dargelegt worden sind. Demzufolge sollte die Breite und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht durch eine der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt werden, sondern sollten nur in Übereinstimmung mit den folgenden Ansprüchen und ihren entsprechenden Äquivalenten bestimmt sein.
Was beansprucht wird, ist:

Claims

System zur Steuerung der Verabreichung einer Medikation an einen Patienten, um in dem Patienten eine Zielwirkung zu erreichen und beizubehalten, wobei das System umfasst: eine Sensoreinheit (104) mit einem oder mehreren Sensoren (608, 610, 612), wobei die Sensoren (608, 610, 612) ausgestaltet sind, um eine Eigenschaft des Patienten (116) zu erfassen und einen Parameter bereitzustellen, der die erfaßte Eigenschaft kennzeichnet; eine Medikations-Zuführeinheit (112), die ausgestaltet ist, um die Medikation an den Patienten (116) zu verabreichen, um eine Konzentration der Medikation in dem Patienten (116) zu erreichen und eine Medikationszuführ-Steuereinrichtung (108), die einen mit der Sensoreinheit (104) gekoppelten Eingang und einen mit der Medikationszuführeinheit (112) gekoppeltem Ausgang aufweist, wobei die Medikationszuführ-Steuereinrichtung (108) ausgestaltet ist, um den einen oder die mehreren Parameter von der Sensoreinheit (104) zu empfangen, dadurch gekennzeichnet, dass die Medikationszuführ-Steuereinrichtung ausgestaltet ist, um ein individuelles Patienten-Reaktionsprofil zu berechnen, um ein Zielkonzentrationsniveau der Medikation zur Erreichung der Zielwirkung zu bestimmen, und um die Medikations-Zuführeinheit (112) zu steuern, um die Medikation mit einer Rate zuzuführen, die festgelegt ist, um das Zielkonzentrationsniveau der Medikation in dem Patienten (116) zu erreichen, wobei das Patienten-Reaktionsprofil die individuali sierte Reaktion des Patienten (116) auf die Medikation definiert und das individuelle Patientenprofil zur Anpassung an sich ändernde Patientenbedingungen anpaßbar ist.
System nach Anspruch 1, bei dem die Medikationszuführ-Steuereinrichtung (108) ferner ausgestaltet ist, um zu bestimmen, ob sich das Zielkonzentrationsniveau zur Erreichung der Zielwirkung geändert hat, und um die Medikations-Zuführeinheit (112) zu steuern, um die Medikation mit einer Rate zuzuführen, die festgelegt ist, um das veränderte Zielkonzentrationsniveau der Medikation in dem Patienten (116) zu erreichen.
System nach Anspruch 1, bei dem die Medikationszuführ-Steuereinrichtung (108) ferner ausgestaltet ist, um in einer Betriebsart mit geöffnetem Kreis (open-loop mode) zu arbeiten, um das individuelle Patienten-Reaktionsprofil zu bestimmen.
System nach Anspruch 3, bei dem die Medikationszuführ-Steuereinrichtung (108) in der Betriebsart mit geöffnetem Kreis (open-loop mode) ausgestaltet ist, um die Medikations-Zuführeinheit (112) anzuweisen, mindestens ein Medikationskonzentrationsniveau an dem Patienten bereitzustellen, und um die Wirkung dieses mindestens einen Konzentrationsniveaus auf Basis von einem oder mehreren Parametern zu messen, die von einem oder mehreren Sensoren (608, 610, 612) erhalten werden.
System nach Anspruch 1, bei dem die Konzentration der Medikation in dem Patienten eine Blutkonzentration ist.
System nach Anspruch 1, bei dem die Konzentration der Medikation in dem Patienten eine Wirkungsstellenkonzentration (effect-site concentration) ist.
System nach Anspruch 1, bei dem die Medikations-Zuführeinheit (112) mindestens eine aus der Gruppe aus einer Infusionspumpe und einer Inhalationszuführvorrichtung umfasst.
Medikationszuführ-Steuereinrichtung (108) zur Steuerung der Verabreichung einer Medikation an einen Patienten (116) zur Erreichung und Beibehaltung einer Zielwirkung in dem Patienten (116), wobei die Steuereinrichtung umfasst: eine Sensorschnittstelle (826), die ausgestaltet ist, um einen oder mehrere Patientenparameter von einer Sensoreinheit (104) zu erhalten, einen Prozessor (808), der mit der Datenschnittstelle (118) gekoppelt ist, und einen Datenausgangsanschluß, der mit dem Prozessor (808) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (808) ausgestaltet ist, um ein individuelles Patienten-Reaktionsprofil zu berechnen, um ein Zielkonzentrationsniveau der Medikation, zur Erreichung der Zielwirkung zu bestimmen, und um eine Medikations-Zuführrate zu bestimmen, um das Zielkonzentrationsniveau der Medikation in dem Patienten zu erreichen, wobei das individuelle Patienten-Reaktionsprofil die individualisierte Antwort des Patienten (116) auf die Medikation definiert und das individuelle Patientenprofil zur Anpassung an sich ändernde Patientenbedingungen anpaßbar ist; und dass der Datenausgangsanschluß mit dem Prozessor (808) gekoppelt ist, um Befehle an eine Medikations-Zuführeinheit (112) weiterzuleiten, um die Medikation mit der Medikations- Zuführrate zuzuführen, die durch den Prozessor bestimmt wurde.
Medikationszuführ-Steuereinrichtung (108) nach Anspruch 8, bei dem der Prozessor (808) ferner ausgestaltet ist, um zu bestimmen, ob sich das Zielkonzentrationsniveau zur Erreichung der Zielwirkung geändert hat, und um die Medikations-Zuführeinheit (112) zu steuern, um die Medikation mit einer zweiten Rate zuzuführen, die zur Erreichung des geänderten Zielkonzentrationsniveaus der Medikation in dem Patienten festgelegt wurde.
Medikationszuführ-Steuereinrichtung (108) nach Anspruch 8, bei der der Prozessor (808) ferner ausgestaltet ist, um es der Medikationszuführ-Steuereinrichtung (108) zu erlauben, in einer Betriebsart mit geöffnetem Kreis (open-loop mode) zu arbeiten, um das individuelle Patienten-Reaktionsprofil zu bestimmen.
Medikationszuführ-Steuereinrichtung (108) nach Anspruch 10, bei der die Medikationszuführ-Steuereinrichtung (108) in der Betriebsart mit geöffnetem Kreis (open-loop mode) ausgestaltet ist, um die Medikations-Zuführeinheit (112) anzuweisen, mindestens ein Medikationskonzentrationsniveau an den Patienten bereitzustellen, und um die Wirkung dieses mindestens einen Konzentrationsniveaus auf Basis von einem oder mehreren Parametern zu messen, die von einem oder mehreren Sensoren (608, 610, 612) erhalten werden.
Medikationszuführ-Steuereinrichtung (108) nach Anspruch 8, bei der die Konzentration der Medikation in dem Patienten (116) eine Blutkonzentration ist.
Medikationszuführ-Steuereinrichtung (108) nach Anspruch 8, bei der die Konzentration der Medikation in dem Patienten (116) eine Wirkungsstellekonzentration (effect-site concentration) ist.
Medikationszuführ-Steuereinrichtung (108) nach Anspruch 8, bei der die Medikations-Zuführeinheit (112) mindestens eine aus der Gruppe aus einer Infusionspumpe und einer Inhalationszuführeinheit umfasst.
Medikationszuführ-Steuereinrichtung (108) nach Anspruch 8, bei der die Medikation Propofol ist.
Medikationszuführ-Steuereinrichtung (108) nach Anspruch 8, bei der der eine oder die mehreren Parameter mindestens eines aus der Gruppe aus Blutdruck-, Herzraten-, Temperatur- und EEG-Parametern kennzeichnen.