丙泊酚药物浓度对意识状态相关脑电图特征影响的研究

颜飞1 张云2 王昱博2 万成浩2 宋大为1 王强1

1西安交通大学第一附属医院麻醉科 710061；2西安电子科技大学生命科学技术学院 710071

国际麻醉学与复苏杂志,2021,42(10):1030-1035.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20210714-00387

 基金项目 

陕西省自然科学基金（2020JQ‑511）

ORIGINAL ARTICLES

【论著】

为了准确识别与意识状态相关的特征，且排除药物浓度的影响，本研究拟通过记录慢速丙泊酚诱导过程中的脑电图，提取已有研究中报道的与意识相关的脑功能特征，包括功率谱、脑活动复杂度、脑区间功能连通性和脑网络特性，通过特征选择算法识别出对丙泊酚药物浓度改变和意识状态改变高度敏感的脑功能特征，探索丙泊酚麻醉过程中真正反映意识状态改变的脑电标志物，为更精确的麻醉深度监测提供理论支持。

1 资料与方法      

选择拟行胸腹部手术治疗的男性患者6例（本研究的纳入标准包括：① 18~45岁拟行胸腹部手术治疗的男性患者；② BMI 18~26 kg/m2；③ ASA分级Ⅰ~Ⅲ级；④ 无神经或精神病史；⑤ 无肝肾功能障碍；⑥ 听力及理解能力正常。招募的10例患者中有4例患者因数据不完整而被剔除，最终共6例患者被纳入本研究），对所有患者使用靶控输注设备进行丙泊酚输注，初始药物浓度设置为1.0 mg/L，然后每6 min增加0.2 mg/L，直到患者达到无意识状态。同时，采集患者的脑电信号。将采集的脑电信号进行预处理并提取脑功能特征。构建药物浓度相同、意识状态不同和意识状态相同、药物浓度相同两个数据集，并使用线性判别分析（LDA）、逻辑回归（LR）和支持向量机（SVM）3种机器学习算法模型在不同的数据集上进行分类分析。

2 结 果      

2.1　前向特征筛选结果

110个脑功能特征进行前向特征筛选，结果显示：适用于区分相同药物浓度下不同意识状态的稳定特征包括功率谱‑δ‑顶区、PE‑δ‑颞区、PLI‑α‑顶区到顶区，适用于区分相同意识状态下不同药物浓度的稳定特征包括功率谱‑β‑额区、功率谱‑β‑颞区和功率谱‑β‑顶区。见图1。

2.2　分类器结果

使用LDA、LR和SVM分类模型区分在相同意识状态下的不同药物浓度分类正确率均达到75%以上，分别为（77±4）%、（76±4）%和（80±4）%。在相同药物浓度情况下区分不同意识状态时，3种分类模型在使用稳定特征得到的正确率分别为（82±5）%、（83±5）%和（84±4）%。见图2。

2.3　不同状态特征比较

比较意识状态相关特征在药物浓度变化和意识状态变化结果显示，功率谱‑δ‑顶区在药物浓度变化差异无统计学意义（P>0.05），而在意识状态从有意识到无意识明显升高（P<0.001）；PE‑δ‑颞区在从低药物浓度到高药物浓度和从有意识到无意识时均明显降低（P<0.001），但是其在药物浓度变化时的降低程度低于意识状态的变化；PLI‑α‑顶区到顶区在低药物浓度状态下明显高于其在高药物浓度状态下（P<0.001），但是其在意识状态变化时并没有明显变化（P>0.05）。见图3。

比较药物浓度相关特征分别在药物浓度变化和意识状态变化时的结果显示，功率谱‑β‑额区从低药物浓度到高药物浓度和从有意识到无意识时均明显降低（P<0.001）；功率谱‑β‑颞区和功率谱‑β‑顶区在意识状态变化时差异均无统计学意义（P>0.05），但是功率谱‑β‑颞区从低药物浓度到高药物浓度时明显升高（P<0.001），而功率谱‑β‑顶区从低药物浓度到高药物浓度时明显降低（P<0.05）。见图4。

3 讨 论

本研究在包括功率谱、复杂度、脑区间功能连通性和脑网络特性这四大类的110个脑电特征中筛选对药物浓度变化和意识状态改变敏感的脑功能特征，这些特征均被认为与意识状态相关。结果显示，功率谱‑δ‑顶区、PE‑δ‑颞区和PLI‑α‑顶区到顶区对意识状态变化敏感。其中，功率谱‑δ‑顶区在药物浓度变化时没有明显变化，但在同一药物浓度水平上意识状态从有意识到无意识变化时会明显升高。

在区分不同药物浓度相关的特征中，我们获得了3个β波段的频谱特征：功率谱‑β‑额区、功率谱‑β‑颞区、功率谱‑β‑顶区。大量的研究观察到麻醉进程中β波段能量降低，与本研究发现的功率谱‑β‑额区，功率谱‑β‑顶区在麻醉状态上的变化趋势一致。同时，尽管可以在整个麻醉进程看到β活动的降低，在维持麻醉剂输注的同时将患者唤醒时β波段活动并不会出现明显的变化。因此，本研究认为麻醉状态观察到的β波段的频谱特征变化对区分意识水平的变化贡献较小。

综上所述，本研究使用数据驱动的特征筛选方法发现功率谱‑δ‑顶区变化能够反映意识水平变化，同时避免了药物浓度的影响。相对于现有的麻醉深度监测指标其更加能够反映意识水平变化，有望提高麻醉深度的精确性。

国际麻醉学与复苏杂志