Estrategia para la toma de decisiones en el reconocimiento automático de estados de sedación anestésica / Decision-making strategy for automatic recognition of sedation states / Estratégia de tomada de decisão para reconhecimento automático de estados de sedação

RESUMEN Introducción: La Anestesiología es la especialidad médica dedicada a la atención específica de los pacientes durante procedimientos quirúrgicos y en cuidados intensivos. Esta especialidad basada en los avances científicos y tecnológicos, ha incorporado el uso del monitoreo electroencefalográfico, facilitando el control continuo de estados de sedación anestésica durante las cirugías, con una adecuada concentración de fármacos. Objetivo: Proponer una estrategia de clasificación para el reconocimiento automático de tres estados de sedación anestésica en señales electroencefalográficas. Método: Se utilizaron con consentimiento informado escrito los registros electroencefalográficos de 27 pacientes sometidos a cirugía abdominal, excluyendo aquellos con antecedentes de epilepsia, enfermedades cerebrovasculares y otras afecciones neurológicas. Se aplicaron en total 12 fármacos anestésicos y dos relajantes musculares con montaje de 19 electrodos según el Sistema Internacional 10-20. Se eliminaron artefactos en los registros y se aplicaron técnicas de Inteligencia artificial para realizar el reconocimiento automático de los estados de sedación. Resultados: Se propuso una estrategia basada en el uso de máquinas de soporte vectorial con algoritmo multiclase Uno-Contra-Resto y la métrica Similitud Coseno, para realizar el reconocimiento automático de tres estados de sedación: profundo, moderado y ligero, en señales registradas por el canal frontal F4 y los occipitales O1 y O2. Se realizó una comparación de la propuesta con otros métodos de clasificación. Conclusiones: Se computa una exactitud balanceada del 92,67 % en el reconocimiento de los tres estados de sedación en las señales registradas por el canal electroencefalográfico F4, lo cual favorece el desarrollo de la monitorización anestésica.

ABSTRACT Introduction: Anesthesiology is the medical specialty concerned with the specific care of patients during surgical and intensive care procedures. This specialty, based on scientific and technological advances, has incorporated the use of electroencephalographic monitoring, facilitating the continuous control in the use of anesthesia for patient´s sedation states during surgeries, with an adequate concentration of drugs. Objective: Proposal for a classification strategy for automatic recognition of three sedation states in electroencephalographic signals. Methods: We used, with written informed consent, the electroencephalographic records of 27 patients undergoing abdominal surgery, excluding those with a history of epilepsy, cerebrovascular disease and other neurological conditions. A total of 12 drugs to produce anesthesia and two muscle relaxants with 19 electrodes, mounted according to the International System 10 -20, were applied. Artifacts in the records were eliminated and artificial intelligence techniques were applied to perform automatic recognition of sedation states. Results: A strategy based on the use of support vector machines with a multiclass algorithm One-against-Rest and the Cosine Similarity metric was proposed to perform the automatic recognition of three sedation states: deep, moderate and light, in signals recorded by the frontal channel F4 and the occipital channels O1 and O2. A comparison was carried out between the proposal showed and other classification methods. Conclusions: A balanced accuracy of 92.67% is computed about the recognition of the three states of sedation in the signals recorded by the electroencephalographic channel F4, which helps in a better anesthetic monitoring process.

RESUMO Introdução: A Anestesiologia é a especialidade médica dedicada ao atendimento específico de pacientes durante procedimentos cirúrgicos e em terapia intensiva. Essa especialidade, baseada nos avanços científicos e tecnológicos, incorporou o uso da monitorização eletroencefalográfica, facilitando o controle contínuo dos estados de sedação anestésica durante as cirurgias, com concentração adequada de fármacos. Objetivo: Propor uma estratégia de classificação para o reconhecimento automático de três estados de sedação anestésica em sinais eletroencefalográficos. Método: Foram utilizados registros eletroencefalográficos de 27 pacientes submetidos à cirurgia abdominal com consentimento informado por escrito, excluindo aqueles com histórico de epilepsia, doenças cerebrovasculares e outras condições neurológicas. Um total de 12 drogas anestésicas e dois relaxantes musculares foram aplicados com um conjunto de 19 eletrodos de acordo com o Sistema Internacional 10-20. Artefatos nos prontuários foram removidos e técnicas de inteligência artificial foram aplicadas para realizar o reconhecimento automático dos estados de sedação. Resultados: Foi proposta uma estratégia baseada no uso de máquinas de vetores de suporte com algoritmo One-Against-Rest multiclasse e a métrica Cosine Similarity para realizar o reconhecimento automático de três estados de sedação: profundo, moderado e leve, em sinais registrados pelo canal frontal F4 e os canais occipitais O1 e O2. Foi feita uma comparação da proposta com outros métodos de classificação. Conclusões: Uma acurácia equilibrada de 92,67% é computada no reconhecimento dos três estados de sedação nos sinais registrados pelo canal eletroencefalográfico F4, o que favorece o desenvolvimento da monitorização anestésica.

Monitorización automática de estados de sedación en señales electroencefalográficas / Automatic monitoring of sedation states in electroencephalographic signals

La anestesia general proporciona al paciente estados de inconciencia, amnesia y analgesia, sin embargo, se reportan casos de despertar intraoperatorio. Debido a la incidencia de este fenómeno y sus efectos psicosomáticos, el Centro de Estudios de Neurociencias, Procesamiento de Imágenes y Señales en la Universidad de Oriente, y el Hospital General Juan Bruno Zayas Alfonso ambos en Santiago de Cuba, Cuba, implementan una metodología que permita detectar automáticamente estados de sedación anestésica aplicando Inteligencia Artificial. Para esto se emplearon las señales registradas por el canal electroencefalográfico F4, nueve parámetros espectrales, las Máquinas de Soporte Vectorial y los Sistemas Neuro-Difusos. En el reconocimiento automático de los estados de Sedación Profunda, Moderada y Ligera se logró una Exactitud de 96.12 por ciento, 90.06 por ciento y 90.24 por ciento respectivamente con las Máquinas de Soporte Vectorial, por lo que se propone el uso del canal electroencefalográfico F4 en la detección de estados anestésicos(AU)

General anesthesia provide the patient states of unconsciousness, amnesia and analgesia, however, cases of intraoperative awareness are reported. Due to the incidence of this phenomenon and the psychosomatic effects it causes, the Neuroscience Studies Center, Images and Signals Processing at the University of Oriente, and the General Hospital Juan Bruno Zayas Alfonso both in Santiago de Cuba, Cuba, implement a methodology that allows the automatic detection of anesthetic sedation states applying Artificial Intelligence. For this, the signals recorded by the electroencephalographic channel F4, nine spectral parameters, the Support Vector Machines and the Neuro-Fuzzy Systems were used. In the automatic recognition of the Sedation States: Profound, Moderate and Mild an Accuracy of 96.12 percent, 90.06 percent and 90.24 percent respectively was achieved with the Support Vector Machines, so the use of the electroencephalographic channel F4 is proposed in the detection of anesthetic states(AU)

Evaluación de la eficacia de los parámetros del electroencefalograma cuantitativo en la medición del nivel de profundidad anestésico / Evaluation of the effectiveness of the quantitative electroencephalogram parameters in the measurement of the anesthetic depth level

Introducción: los métodos de medición del nivel de profundidad del efecto hipnótico de los fármacos anestésicos, a partir del análisis cuantitativo del electroencefalograma, necesitan ser perfeccionados y optimizados para garantizar su aplicación eficiente en la práctica clínica. Objetivo: evaluar los efectos del nivel de profundidad anestésica y de la derivación del registro en los parámetros del electroencefalograma cuantitativo, para garantizar la selección de los parámetros óptimos en la clasificación del nivel de profundidad anestésica. Métodos: se estudió una muestra de 29 adultos con afecciones abdominales, tratados quirúrgicamente por vía endoscópica, bajo anestesia general. El registro electroencefalográfico se realizó mediante un montaje de 19 canales y el nivel de profundidad anestésica fue cuantificado clínicamente mediante una escala de 8 niveles. Igualmente, los parámetros del electroencefalograma cuantitativo fueron estimados mediante el sistema de análisis del equipo Medicid 5 de Neuronic. Resultados: el nivel de profundidad anestésica presentó un efecto significativo en los parámetros del electroencefalograma cuantitativo, en los modelos espectrales de banda ancha y estrecha. Entre los parámetros con mayor significación figuraron: el poder absoluto delta, theta, el poder relativo theta y la frecuencia media theta, alpha y total; mientras que en los parámetros de banda estrecha se obtuvo un efecto significativo en todas las derivaciones, con una interacción significativa entre la topografía y el nivel de profundidad anestésica. Conclusiones: los parámetros del electroencefalograma cuantitativo pueden ser utilizados de forma eficaz en la predicción del nivel de profundidad anestésica, con una mayor resolución en los niveles de clasificación que los utilizados hasta el presente. Asimismo, se confirmó el efecto selectivo de los agentes hipnóticos en las diferentes áreas corticales.

Introduction: the depth level measurement methods of the hypnotic effect of anesthetic drugs, from the quantitative analysis of the electroencephalogram, need to be corrected and optimized to guarantee their efficient application in the clinical practice. Objective: to evaluate the effects of the anesthetic depth level and of the record derivation in the parameters of the quantitative electroencephalogram, to guarantee the selection of optimal parameters in the classification of the anesthetic depth level. Methods: a sample of 29 adults with abdominal disorders, surgically treated through endoscopy, under general anaesthesia was studied. The electroencephalographic record was carried out by means of a 19 channels assembly and the level of anesthetic depth was clinically quantified by means of an 8 levels scale. Equally, the parameters of the quantitative electroencephalogram were calculated by means of the analysis system of the Medicid 5 equipment of Neuronic. Results: the level of anesthetic depth presented a significant effect in the parameters of the quantitative electroencephalogram, in the spectral models of broad and narrow band. Among the parameters with more significance there were: the absolute power delta, theta, the relative power theta and the mean frequency theta, alpha and total; while in the narrow band parameters a significant effect was obtained in all derivations, with a significant interaction between the topography and the anesthetic depth level. Conclusions: the parameters of the quantitative electroencephalogram can be used in an effective way in the prediction of the anesthetic depth level, with a higher resolution in the classification levels than those used up to now. Also, the selective effect of the hypnotic agents was confirmed in the different cortical areas.