Prediction of the Outcome in Cardiac Arrest Patients Undergoing Hypothermia Using EEG Wavelet Entropy

Cardiac arrest (CA) is the leading cause of death in the United States. Induction of hypothermia has been found to improve the functional recovery of CA patients after resuscitation. However, there is no clear guideline for the clinicians yet to determine the prognosis of the CA when patients are treated with hypothermia. The present work aimed at the development of a prognostic marker for the CA patients undergoing hypothermia. A quantitative measure of the complexity of Electroencephalogram (EEG) signals, called wavelet sub-band entropy, was employed to predict the patients’ outcomes. We hypothesized that the EEG signals of the patients who survived would demonstrate more complexity and consequently higher values of wavelet sub-band entropies. A dataset of 16-channel EEG signals collected from CA patients undergoing hypothermia at Long Beach Memorial Medical Center was used to test the hypothesis. Following preprocessing of the signals and implementation of the wavelet transform, the wavelet sub-band entropies were calculated for different frequency bands and EEG channels. Then the values of wavelet sub-band entropies were compared among two groups of patients: survived vs. non-survived. Our results revealed that the brain high frequency oscillations (between 64-100 Hz) captured from the inferior frontal lobes are significantly more complex in the CA patients who survived (pvalue ≤ 0.02). Given that the non-invasive measurement of EEG is part of the standard clinical assessment for CA patients, the results of this study can enhance the management of the CA patients treated with hypothermia

Electrophysiological Brain Monitoring after Cardiac Arrest with Temperature Management

Cardiac arrest (CA) is the leading cause of disability and death annually in the United States. Therapeutic hypothermia (TH) has been recommended as one of the standard practices for improving neurological outcome and survival to treat out-of-hospital CA patients after resuscitation. However, many clinical prognostic markers after resuscitation for predicting outcome have been less reliable under hypothermia. Therefore, there is a strong need to evaluate the prognostic value of current prognostic markers for hypoxic-ischemic brain injury after CA. The first part of this work was to review current literature and assess the prognostic value of current significant breakthroughs in neurophysiologic and electrophysiological methods for CA patients treated with TH in order to provide a comprehensive frame for future work. Due to the restrictions of standard clinical examinations and neuroimaging techniques in detecting brain injury, electroencephalography (EEG) has emerged as one of the commonly used bed-side real-time monitoring tools for prognostication. Instead of the subjective and impractical analysis of waveform-based raw EEG signals, we applied two quantitative methods – information quantity (IQ) and sub-band IQ (SIQ) – to quantify and examine the accuracy of prognostic value of EEG markers on predicting recovery under TH in the second part of this work. Our study discovered that both IQ and SIQ accurately predict neurologic outcome at the early stage of cerebral recovery. Moreover, high-frequency oscillations (HFO) were particularly noticeable during the recovery from severe brain injury indicated by IQ, and SIQ was able to provide additional standard clinical EEG bands of interests. The ischemic brain after CA is sensitive to trivial fluctuations of temperature. Previously, we only observed temperature management strongly affects the recovery of global EEG. However, EEG signals can be decomposed into different frequency sub-bands in clinical practices, which are related to different brain functions, and the association has not been elucidated between the recovery of each sub-band EEG and temperature management. In the third part of this work, we employed SIQ, of which indicative ability has been proven in the last part, to determine the most relevant sub-bands of EEG during brain recovery with temperature manipulation. It was found for the first time that gamma-band EEG activity, linked with high cognitive processes, was primarily affected by temperature and strongly associated with neurologic outcome, while delta-band played a role as constant component of EEG without stable relationship with temperature or outcome. Somatosensory evoked potentials (SSEPs), especially N20 responses in human, are able to evaluate the somatosensory system functioning, which are also regarded as a reliable early prognostic marker for post-CA neurologic outcome. Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a non-invasive technique to modulate the cerebral excitability and activity which has been confirmed by motor evoked potentials (MEPs), but it is still unclear whether it can affect the somatosensory cortex. The final part of this work preliminarily studied the alternations of excitability of somatosensory cortex by tDCS and investigated the potential of SSEPs on measuring the after-effect of tDCS

Measurements of adequacy of anesthesia and level of consciousness during surgery and intensive care

The adequacy of anesthesia has been studied since the introduction of balanced general anesthesia. Commercial monitors based on electroencephalographic (EEG) signal analysis have been available for monitoring the hypnotic component of anesthesia from the beginning of the 1990s. Monitors measuring the depth of anesthesia assess the cortical function of the brain, and have gained acceptance during surgical anesthesia with most of the anesthetic agents used. However, due to frequent artifacts, they are considered unsuitable for monitoring consciousness in intensive care patients. The assessment of analgesia is one of the cornerstones of general anesthesia. Prolonged surgical stress may lead to increased morbidity and delayed postoperative recovery. However, no validated monitoring method is currently available for evaluating analgesia during general anesthesia. Awareness during anesthesia is caused by an inadequate level of hypnosis. This rare but severe complication of general anesthesia may lead to marked emotional stress and possibly posttraumatic stress disorder. In the present series of studies, the incidence of awareness and recall during outpatient anesthesia was evaluated and compared with that of in inpatient anesthesia. A total of 1500 outpatients and 2343 inpatients underwent a structured interview. Clear intraoperative recollections were rare the incidence being 0.07% in outpatients and 0.13% in inpatients. No significant differences emerged between outpatients and inpatients. However, significantly smaller doses of sevoflurane were administered to outpatients with awareness than those without recollections (p<0.05). EEG artifacts in 16 brain-dead organ donors were evaluated during organ harvest surgery in a prospective, open, nonselective study. The source of the frontotemporal biosignals in brain-dead subjects was studied, and the resistance of bispectral index (BIS) and Entropy to the signal artifacts was compared. The hypothesis was that in brain-dead subjects, most of the biosignals recorded from the forehead would consist of artifacts. The original EEG was recorded and State Entropy (SE), Response Entropy (RE), and BIS were calculated and monitored during solid organ harvest. SE differed from zero (inactive EEG) in 28%, RE in 29%, and BIS in 68% of the total recording time (p<0.0001 for all). The median values during the operation were SE 0.0, RE 0.0, and BIS 3.0. In four of the 16 organ donors, EEG was not inactive, and unphysiologically distributed, nonreactive rhythmic theta activity was present in the original EEG signal. After the results from subjects with persistent residual EEG activity were excluded, SE, RE, and BIS differed from zero in 17%, 18%, and 62% of the recorded time, respectively (p<0.0001 for all). Due to various artifacts, the highest readings in all indices were recorded without neuromuscular blockade. The main sources of artifacts were electrocauterization, electromyography (EMG), 50-Hz artifact, handling of the donor, ballistocardiography, and electrocardiography. In a prospective, randomized study of 26 patients, the ability of Surgical Stress Index (SSI) to differentiate patients with two clinically different analgesic levels during shoulder surgery was evaluated. SSI values were lower in patients with an interscalene brachial plexus block than in patients without an additional plexus block. In all patients, anesthesia was maintained with desflurane, the concentration of which was targeted to maintain SE at 50. Increased blood pressure or heart rate (HR), movement, and coughing were considered signs of intraoperative nociception and treated with alfentanil. Photoplethysmographic waveforms were collected from the contralateral arm to the operated side, and SSI was calculated offline. Two minutes after skin incision, SSI was not increased in the brachial plexus block group and was lower (38 ± 13) than in the control group (58 ± 13, p<0.005). Among the controls, one minute prior to alfentanil administration, SSI value was higher than during periods of adequate antinociception, 59 ± 11 vs. 39 ± 12 (p<0.01). The total cumulative need for alfentanil was higher in controls (2.7 ± 1.2 mg) than in the brachial plexus block group (1.6 ± 0.5 mg, p=0.008). Tetanic stimulation to the ulnar region of the hand increased SSI significantly only among patients with a brachial plexus block not covering the site of stimulation. Prognostic value of EEG-derived indices was evaluated and compared with Transcranial Doppler Ultrasonography (TCD), serum neuron-specific enolase (NSE) and S-100B after cardiac arrest. Thirty patients resuscitated from out-of-hospital arrest and treated with induced mild hypothermia for 24 h were included. Original EEG signal was recorded, and burst suppression ratio (BSR), RE, SE, and wavelet subband entropy (WSE) were calculated. Neurological outcome during the six-month period after arrest was assessed with the Glasgow-Pittsburgh Cerebral Performance Categories (CPC). Twenty patients had a CPC of 1-2, one patient had a CPC of 3, and nine patients died (CPC 5). BSR, RE, and SE differed between good (CPC 1-2) and poor (CPC 3-5) outcome groups (p=0.011, p=0.011, p=0.008, respectively) during the first 24 h after arrest. WSE was borderline higher in the good outcome group between 24 and 48 h after arrest (p=0.050). All patients with status epilepticus died, and their WSE values were lower (p=0.022). S-100B was lower in the good outcome group upon arrival at the intensive care unit (p=0.010). After hypothermia treatment, NSE and S-100B values were lower (p=0.002 for both) in the good outcome group. The pulsatile index was also lower in the good outcome group (p=0.004). In conclusion, the incidence of awareness in outpatient anesthesia did not differ from that in inpatient anesthesia. Outpatients are not at increased risk for intraoperative awareness relative to inpatients undergoing general anesthesia. SE, RE, and BIS showed non-zero values that normally indicate cortical neuronal function, but were in these subjects mostly due to artifacts after clinical brain death diagnosis. Entropy was more resistant to artifacts than BIS. During general anesthesia and surgery, SSI values were lower in patients with interscalene brachial plexus block covering the sites of nociceptive stimuli. In detecting nociceptive stimuli, SSI performed better than HR, blood pressure, or RE. BSR, RE, and SE differed between the good and poor neurological outcome groups during the first 24 h after cardiac arrest, and they may be an aid in differentiating patients with good neurological outcomes from those with poor outcomes after out-of-hospital cardiac arrest.Anestesian syvyyden riittävyyttä on tutkittu yhtä kauan kuin yleisanestesioita on annettu. Rutiinikäyttöön soveltuvia aivosähkökäyrään (EEG) perustuvia anestesian syvyyttä mittaavia laitteita on ollut markkinoilla 1990-luvulta alkaen. Nämä aivojen kortikaalista toimintaa mittaavat laitteet kuvaavat unen syvyyttä ja toimivat luotettavasti yleisimmin käytössä olevien nukutusaineiden kanssa. Lukuisat ulkoiset tekijät aiheuttavat kuitenkin häiriöitä indekseihin, mikä on toistaiseksi estänyt mittarien luotettavan käytön tehohoidossa. Vaikka kivunhoito on yksi merkittävimmistä yleisanestesian komponenteista, luotettavaa kipumittaria ei toistaiseksi ole ollut markkinoilla. Anestesian aikainen hereilläolo on harvinainen mutta vakava komplikaatio, joka voi johtaa huomattavalla osalla potilaista posttraumaattisen stressireaktion syntyyn. Tutkimuksessa verrattiin 1500 päiväkirurgista potilasta 2343 vuodeosastolta käsin leikattuun potilaaseen. Haastattelututkimukseen perustuen selkeitä anestesian aikaisia muistikuvia esiintyi 0.07 % päiväkirurgisista ja 0.13 % osastopotilaista. Ryhmien välillä ei todettu tilastollisesti merkitsevää eroa. Ne päiväkirurgiset potilaat, joilla todettiin anestesian aikainen hereillä olo, saivat merkittävästi vähemmän hypnoottista ainetta (sevofluraania) kuin ne potilaat, joilla tätä komplikaatiota ei esiintynyt. Aivosähkökäyrään vaikuttavia häiriötekijöitä tutkittiin 16 kliinisesti aivokuolleelta elinluovuttajalta. Anestesian aikana käytettäviä unen syvyyttä kuvaavia mittareita, BIS (bispektraali-indeksi)- ja Entropia-monitoria (SE= State Entropy, RE= Response Entropy), käytettiin otsalta kerätyn biosignaalin rekisteröimiseen. Tutkimuksen hypoteesina oli, että valtaosa rekisteröidystä biosignaalista koostuisi aivokuolleilla elinluovuttajilla EEG-rekisteröintiä häiritsevistä artefakteista. Elinluovutusleikkauksen aikana BIS oli herkempi häiriötekijöille ja erosi indeksi-luvusta nolla (inaktiivinen EEG) 68 % rekisteröintiajasta. SE poikkesi nollasta 28 ja RE 29 % rekisteröintiajasta. Leikkauksen yhteydessä käytettävien sähköisten laitteiden, elinluovuttajan liikuttelun sekä jäljellä olevan lihas- ja sydämen sähköisen toiminnan aiheuttamat muutokset olivat pääasialliset BIS- ja Entropia-monitorointia häiritsevät tekijät elinluovutusleikkauksen aikana. Anestesian aikaista reagoimattomuutta kipuun tutkittiin uuden, kajoamattoman mittarin, SSI:n (Surgical Stress Index, myöhemmin SPI, Surgical Pleth Index) avulla 26 olkapääleikkaukseen tulleella potilaalla. SSI lasketaan sormesta mitattavan sykeaallon amplitudiin ja sydämen syketaajuuteen perustuen, joten sen lukuarvo suurenee sympaattisen stimulaation lisääntyessä. SSI-lukema oli alhaisempi potilailla, jotka saivat leikkausta edeltävästi olkapunoksen sentraalisen puudutuksen kuin potilailla, jotka leikattiin ilman puudutusta. Kaikki potilaat nukutettiin toimenpiteen ajaksi ja anestesian syvyyttä kontrolloitiin pitämällä SE tasolla 50 desfluraani-annosta nostamalla tai laskemalla. Kohonnut pulssi- tai verenpainetaso, potilaan liikkuminen, kyynelehtiminen tai yskiminen tulkittiin merkiksi riittämättömästä kipulääketasosta, mikä hoidettiin alfentaniili-lääkityksellä. Kahden minuutin kuluttua ihoviillosta mitattuna SSI ei noussut alkutasoon verrattuna olkapunospuudutuksen saaneilla potilailla ja oli merkitsevästi matalampi kuin puuduttamattomilla verrokkipotilailla. Verrokkipotilailla minuutti ennen kipulääketarvetta mitattu SSI oli huomattavasti korkeampi kuin SSI samoilla potilailla ajanjaksoina, jolloin kipulääkitystä ei tarvittu. Leikkauksenaikainen kumulatiivinen kipulääkityksen määrä oli suurempi potilailla, jotka eivät saaneet puudutusta leikkausta edeltävästi. Olkapunoksen puudutuksen saaneiden potilaiden joukossa standardisoituna kipuärsytyksenä käytetty tetaaninen ärsytys nosti SSI-lukemaa ainoastaan niillä potilailla, joilla puutunut alue ei kattanut kipuärsytysaluetta. Onnistuneestikin elvytetyille sydämenpysähdyspotilaille jää usein eriasteisia neurologisia vaurioita. Aikaisemmissa tutkimuksissa on saatu viitteitä siitä, että aivosähkökäyrä (EEG) kertoo neurologisesta toipumisesta, mutta tulkinnan vaikeus on rajoittanut sen käyttöä teho-osastoilla. EEG:stä johdettujen indeksien toimivuutta neurologisen ennustearvion tekemisessä tutkittiin kolmellakymmenellä sairaalan ulkopuolella kammiovärinästä elvytetyllä potilaalla, jotka saivat teho-osastolla aivoja suojaavan viilennyshoidon. EEG:stä johdettiin seuraavat kvantitatiiviset suureet: purskevaimentumasuhde (burst suppression ratio, BSR), tilaentropia (state entropy, SE), vaste-entropia (response entropy, RE) ja aallokemuunnoksen osakaistan entropia (wavelet subband entropy, WSE). Iskeemisen aivovaurion merkkiaineista määritettiin seerumin neuronispesifinen enolaasi ja S-100B. Aivojen verenkiertoa mitattiin transkraniaalisella kaikututkimuksella. Tutkimukseen otetuista potilaista 20 toipui neurologisesti hyväkuntoisiksi, yhden potilaan toipuminen oli heikkoa ja yhdeksän potilasta kuoli. Tutkimus osoitti, että neurologisesti hyvin ja heikosti toipuneet erottuivat EEG:n kvantitatiivisten suureiden perusteella jo ensimmäisen tehohoitovuorokauden aikana. Lisäksi kaikki potilaat, joiden EEG:n jälkianalyysissä todettiin kouristukseton epileptinen sarjakohtaus, menehtyivät ja heidän aallokemuunnoksen osakaistan entropiansa oli pienempi kuin neurologisesti hyväkuntoisiksi toipuneilla. Tuloksen perusteella näyttäisi siltä, että aallokemuunnoksen osakaistan vähenevä entropia auttaa havaitsemaan kouristuksettoman epileptisen sarjakohtauksen, jonka ilmaantuminen viittaa erittäin huonoon toipumisennusteeseen. Huonoon ennusteeseen liittyivät myös transkraniaalisen kaikututkimuksen pulssisuusindeksin, S100B:n ja neuronispesifisen enolaasin suuret arvot. Tutkimuksen yhteenvetona voidaan todeta, että päiväkirurgiseen yleisanestesiaan ei liity lisääntynyttä anestesian aikaisen hereillä olon riskiä. Anestesian syvyysmittareiden herkkyys lukuisille häiriötekijöille osoitettiin myös tässä väitöskirjatyössä. Entropia-monitori tunnisti häiriötekijät BIS-monitoria paremmin. Yleisanestesian aikana SSI (SPI)-monitori kuvasi luotettavasti kipulääkityksen (tai kivunhoitotekniikan) ja kirurgisen ärsytyksen välistä tasapainotilaa. EEG:stä johdetut indeksit ennustivat neurologista toipumista luotettavasti jo ensimmäisen elvytyksen jälkeisen vuorokauden aikana. Käytetyt parametrit yksinkertaistavat aivosähkökäyrän tulkintaa ja pitkän aikavälin tavoitteena on kehittää keskushermoston monitorointia siten, että aivojen tilan jatkuva seuranta teho-osastoilla olisi mahdollista ja että hoitohenkilökunta voisi reagoida heti potilaan aivotoiminnan muutoksiin

Tehohoitopotilaiden neuromonitorointi

In critical illness the risk of neurological insults is high, whether because of the illness itself, or as a treatment complication. As a result, the length of hospital stay and the risk of both further morbidity and mortality are all roughly doubled. One of the major challenges is the inability to monitor a sedated, mechanically ventilated patient’s neurological symptoms during intensive care treatment, due to a lack of reliable methods. The aims of this thesis research were to identify and test potential non-invasive methods, which would be predictive of neurological outcome, showing potential as neuromonitoring methods of critical care patients unable to self-report. As a guiding theme, all tested methods could be applied to actual critical care with relative ease. Patients were included from two groups with a notably high incidence of neurological complications, namely acute liver failure patients with hepatic encephalopathy (I), and aortic surgery patients operated during hypothermic circulatory arrest (II). The first group included 20 patients, and the latter 30 patients. Late mortality and quality of life was assessed for the aortic surgery patients (III), and the postoperative development of certain blood biomarkers (IV). The tested non-invasive neuromonitoring methods included electroencephalogram (EEG) variables from frontal or fronto-temporal abbreviated monitoring, frontal near-infrared spectroscopy, transcranial Doppler ultrasound measurements of the intracranial blood flow, and finally biomarkers. The last included established biomarkers with an association with neurological complications, namely neuron-specific enolase, and protein S100β, and several interesting biomarkers normally associated with tumours and pancreatitis. Of the tested methods, the frontal EEG variables showed greatest promise, but the addition of the temporal channels did not increase sensitivity. Spectral EEG variables were predictive of the stage of hepatic encephalopathy (I), while a novel EEG variable called wavelet subband entropy was predictive of neurological outcome (I). The hemispheric asymmetry of frontal EEG was reasonably predictive of neurological outcome after aortic surgery (II). None of the other tested methods were predictive of outcome (I, II, IV), except protein S100β, which was significantly higher in the poor outcome group 48 to 72 hours after hypothermic circulatory arrest (II). The quality of life of aortic surgery patients was good after 5 to 8 years, and comparable with the general population of chronically ill patients (III). The aim of this explorative research was to identify and test non-invasive neuromonitoring methods, suitable for use in critical care. Based on the results, frontal EEG variables are promising and predict the grade of hepatic encephalopathy and neurological outcome. The other tested methods were not predictive of neurological outcome. The long-term quality of life of aortic surgery patients is very good, despite the high risk for neurological complications.Kriittisissä sairauksissa neurologisen komplikaation riski on suuri, sekä itse kriittisen sairauden että varsinaisen hoidon seurauksena. Haittatapahtuman johdosta sairaalahoidon kesto sekä sairastuvuuden ja kuolleisuuden riskit kaksinkertaistuvat. Yksi suurimmista haasteista on luotettavien menetelmien puute, joilla voitaisiin arvioida mekaanisen hengitystuen varassa olevan ja rauhoittavia lääkkeitä saavan potilaan neurologisia oireita tehohoidon aikana. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli tunnistaa ja testata lupaavia ei-kajoavia menetelmiä, jotka ennustaisivat neurologista lopputulosta, ja jotka soveltuisivat kriittisesti sairaan tehohoitopotilaan neuromonitorointiin. Kantavana teemana kaikki testatut menetelmät voitaisiin soveltaa kliiniseen työhön suhteellisen helposti. Potilaita kerättiin kahteen ryhmään, joissa neurologisten komplikaatioiden esiintyvyys on huomattavan suuri. Ensimmäinen ryhmä käsitti akuuttia maksan vajaatoimintaa ja hepaattista enkefalopatiaa sairastavat potilaat (I), toinen hypotermisen verenkierron pysäytyksen aikana rinta-aortan leikkauksen läpikäyvät potilaat (II). Ensimmäiseen ryhmään kuului 20 potilasta, jälkimmäiseen 30 potilasta. Aorttaleikatuilta potilailta arvioitiin myös elämänlaatua sekä myöhäiskuolleisuutta (III), lisäksi tiettyjen biomerkkiaineiden aorttaleikkauksen jälkeistä kehitystä ja soveltuvuutta neuromonitorointiin arvioitiin yhdessä osatyössä (IV). Tutkimuksessa arvioituihin ei-kajoaviin neuromonitorointimenetelmiin lukeutuivat otsa- ja ohimolohkon elektroenkefalografia (EEG), lähi-infrapunaspektroskopia, transkraniaalinen Doppler-ultraäänimittaus sekä verestä mitattavat biomerkkiaineet. Biomerkkiaineet kattoivat sekä vakiintuneita aivovauriota heijastavia merkkiaineita (hermostoperäinen enolaasi, proteiini S100β) että useita mielenkiintoisia merkkiaineita, jotka liittyvät kasvaintauteihin ja haimatulehdukseen. Testatuista menetelmistä otsalohkon EEG muuttujat olivat lupaavia, mutta ohimolohkon EEG lisääminen ei parantanut menetelmien herkkyyttä. EEG spektrimuuttujat ennustivat hepaattisen enkefalopatian astetta (I) luotettavasti, kun taas kokeellinen EEG-muuttuja (aalloke-alitaajuuden entropia) ennusti luotettavasti neurologista lopputulosta akuutin maksan vajaatoimintaa sairastavilla potilailla (I). Otsalohkon aivopuoliskojen EEG-rekisteröinnin hetkellinen epäsymmetria ennusti kohtalaisella tarkkuudella neurologisten päätetapahtumien esiintymisen aorttaleikatuilla potilailla (II). Muut testatut menetelmät eivät ennustaneet neurologista lopputulemaa (I, II, IV), paitsi proteiini S100β, joka oli merkittävästi korkeampi 48–72 tuntia leikkauksen jälkeen niillä potilailla, joiden neurologinen toipuminen oli huono (IV). Aorttaleikattujen potilaiden elämänlaatu oli hyvä 5–8 vuotta leikkauksen jälkeen ja verrattavissa kroonisesti sairaan väestön elämänlaatuun (III). Tämän kartoittavan tutkimuksen tarkoituksena oli tunnistaa ja testata ei-kajoavia neuromonitorointimenetelmiä, jotka soveltuvat tehohoitoon. Tulosten perusteella otsalohkon EEG-muuttujat ennustavat hepaattisen enkefalopatian astetta sekä potilaan neurologista toipumista. Muut testatut menetelmät eivät ennustaneet neurologista toipumista luotettavasti. Aorttaleikattujen potilaiden pitkäaikainen (5–8 vuoden) terveyteen liittyvä elämänlaatu on erittäin hyvä, vaikka leikkaukseen liittyy korkea aivovaurion riski

EVALUATION OF ELECTROPHYSIOLOGICAL PROGNOSTIC TOOLS TO TRACK BRAIN RECOVERY WITH TEMPERATURE MANAGEMENT AFTER CARDIAC ARREST

Cardiac arrest (CA) occurs in over 347,000 adult Americans annually and is a leading cause of morbidity and mortality. While targeted temperature management (TTM), a neuroprotective treatment, is often implemented following resuscitation, CA typically results in an ischemic brain injury that is detrimental to functional outcome. Prognosis shortly following CA is crucial as it may guide subsequent treatment. Although multiple prognostic tools exist, many have not been verified under TTM or have limitations in early prognostication. Thus, a reliable tool that predicts functional outcome during the early recovery period after CA is required. For this project, it was necessary to first review current literature detailing the existing prognostic tools and their limitations. Many of the prognostic tools that have been employed have limitations including subjective results interpretation and the confounding effects of the sedatives required for TTM. However, somatosensory evoked potentials (SSEP) and electroencephalogram (EEG) have potential to track recovery. The bilateral absence of the human N20 SSEP peak is currently the most reliable predictor of poor outcome, however, the signal interpretation is subjective and limited by the dichotomous categorization. Thus, the next step in this work included quantitative analyses of SSEP signals to identify objective prognostic markers. First, the peak amplitude and latency of SSEP signals were calculated. The amplitude of N10 peaks and latency of N7 and N10 peaks in rats were measured objectively and were distinct among temperature and outcome groups. A more complex and novel calculation of the SSEP phase space area (qSSEP-PSA), which considers multiple SSEP characteristics, was then performed. Animals treated with hypothermia tended to have higher qSSEP-PSA values and better qSSEP-PSA recovery over the early recovery period. These analyses demonstrate that quantitative SSEPs can track brain recovery shortly after resuscitation. EEG is a common brain-monitoring tool. The information quantity (IQ), a quantitative measure of the EEG information content, was calculated in post-CA rats that underwent laser speckle contrast imaging (LSCI), which measures relative cerebral blood flow (rCBF). IQ was significantly and negatively correlated with rCBF during the early recovery, suggesting that electrical activity recovery can be maintained by lower rCBF shortly after CA

Novel Burst Suppression Segmentation in the Joint Time-Frequency Domain for EEG in Treatment of Status Epilepticus

We developed a method to distinguish bursts and suppressions for EEG burst suppression from the treatments of status epilepticus, employing the joint time-frequency domain. We obtained the feature used in the proposed method from the joint use of the time and frequency domains, and we estimated the decision as to whether the measured EEG was a burst segment or suppression segment by the maximum likelihood estimation. We evaluated the performance of the proposed method in terms of its accordance with the visual scores and estimation of the burst suppression ratio. The accuracy was higher than the sole use of the time or frequency domains, as well as conventional methods conducted in the time domain. In addition, probabilistic modeling provided a more simplified optimization than conventional methods. Burst suppression quantification necessitated precise burst suppression segmentation with an easy optimization; therefore, the excellent discrimination and the easy optimization of burst suppression by the proposed method appear to be beneficial

Sensors for Vital Signs Monitoring

Sensor technology for monitoring vital signs is an important topic for various service applications, such as entertainment and personalization platforms and Internet of Things (IoT) systems, as well as traditional medical purposes, such as disease indication judgments and predictions. Vital signs for monitoring include respiration and heart rates, body temperature, blood pressure, oxygen saturation, electrocardiogram, blood glucose concentration, brain waves, etc. Gait and walking length can also be regarded as vital signs because they can indirectly indicate human activity and status. Sensing technologies include contact sensors such as electrocardiogram (ECG), electroencephalogram (EEG), photoplethysmogram (PPG), non-contact sensors such as ballistocardiography (BCG), and invasive/non-invasive sensors for diagnoses of variations in blood characteristics or body fluids. Radar, vision, and infrared sensors can also be useful technologies for detecting vital signs from the movement of humans or organs. Signal processing, extraction, and analysis techniques are important in industrial applications along with hardware implementation techniques. Battery management and wireless power transmission technologies, the design and optimization of low-power circuits, and systems for continuous monitoring and data collection/transmission should also be considered with sensor technologies. In addition, machine-learning-based diagnostic technology can be used for extracting meaningful information from continuous monitoring data

Inhaled xenon neuro- and cardioprotection following out-of-hospital cardiac arrest. A randomized, controlled trial

Cardiac arrest leads often to death or permanent neurological damage, despite prompt advanced life support and resuscitation. Ischaemia-reperfusion injury persists, although circulation and cardiac function has been restored. The most vulnerable organs for hypoxemia and reperfusion injury are the brain and heart. The only proven intervention against ongoing ischaemia-reperfusion injury is targeted temperature management to core temperature of 33–36 C for 24 hours after cardiac arrest. Still, at least on average third of the succesfully from ventricular fibrillation-generated cardiac arrest resuscitated patients die, particularly to hypoxic-ischaemic brain injury. The noble gas xenon is an anaesthetic gas, which has been demonstrated in preclinical animal models to attenuate posthypoxic brain and myocardial injury. Xenon has many properties of ”an ideal anaesthetic”, but being so scarce and laborous to extract makes it expensive. In this clinical trial, the standard-of-care after out-of-hospital cardiac arrest, targeted temperature management to 33 °C for 24 hours, was compared to hypothermia supplemented with inhaled xenon for 24 hours. Both study groups consisted of 55 cardiac arrest victims and the postarrest care was identical in both groups and in accordance with current international guidelines. Cerebral hypoxic-ischaemic injury was assessed with brain diffusion tensor magnetic resonance imaging after rewarming. Fractional anistrophy (FA) value corresponds to the microintegrity of brain white matter tracts and is diminished after injury. Cardiac troponin-T is a marker of cardiomyocyte injury, which was serially assessed during 72 hours following resuscitation. The main findings of this study were, that combining inhaled xenon and therapeutic hypothermia in cardiac arrest patients was safe and feasible. The combination of xenon and hypothermia significantly attenuated brain white matter injury illustrated with higher FA-values. After adjustements for age, sex, study site, primary coronary percutaneous intevention (PCI) and noradrenaline dose, Troponin-T values were lower at 72 hours post OHCA in the xenon group corresponding to an mitigating effect in myocardial injury. These results translate to significant neuro- and cardioprotection against ongoing ischaemia-reperfusion injury by xenon inhalation combined with hypothermia. The overall mortality in this study was 30,9 %. The study was underpowered to demonstrate differences in outcome or functional neurological recovery.Sydänpysähdys johtaa viiveettä aloitetusta elvytyksestä huolimatta usein potilaan kuolemaan tai vakavaan neurologiseen vammautumiseen. Hapenpuutteen ja reperfuusion aiheuttama kudosvaurio jatkuu, vaikka verenkierto ja sydämen toiminta onnistutaan elvytystoimin palauttamaan. Erityisen alttiita hapenpuutteelle ja reperfuusiovauriolle ovat aivot ja sydän. Ainoa tehokkaaksi todettu reperfuusiovaurion hoito on potilaan jäähdyttäminen 33 – 36 C lämpötilaan vuorokaudeksi elvytyksen jälkeen. Hoidosta huolimatta noin kolmannes onnistuneesti kammiovärinästä elvytetyistä potilaista kuolee, tavallisimmin hapenpuuteaivovaurion seurauksiin. Jalokaasu ksenon on anestesiakaasu, jonka on tämän lisäksi lukuisissä prekliinisissä eläintutkimuksissa todettu vähentävän hermo- ja sydänlihaskudoksen vauriota hapenpuutteen jälkeen. Ksenon-anestesialla on monia ihanteellisen anestesian piirteitä, mutta sen käytettävyyttä rajoittaa kaasun harvinaisuus ja työläs puhdistamisprosessi, minkä takia ksenon on kallista. Tässä tutkimuksessa verrattiin vakiintunutta sydänpysähdyspotilaan jatkohoitoa teho-osastolla – vuorokauden jäähdytyshoitoa – jäähdytyshoitoon ja samanaikaiseen ksenon-kaasun hengittämiseen yhteensä 110:llä onnistuneesti kammiovärinästä elvytetyillä potilailla. Näiden kahden tutkimusryhmän potilaita (55 potilasta kummassakin ryhmässä) hoidettiin muuten samankaltaisesti noudattaen viimeisimpiä kansainvälisiä suosituksia sydänpysähdyksestä elvytettyjen jatkohoidossa. Keskushermoston hapenpuutevauriota arvioitiin potilaan normaaliin lämpötilaan lämmittämisen jälkeen aivojen magneettitutkimuksen diffuusiotensorikuvauksen fraktioidun anisotrofia (FA) -arvon perusteella, jonka pieneneminen viittaa aivojen valkean aineen vaurioon ja mikrointegraation hajoamiseen. Sydänpysähdyksen jälkeistä sydänvauriota arvioitiin sydänlihassoluvaurion merkkiaineen troponiini-T:n muutosten perusteella. Tutkimuksen perusteella ksenonin ja jäähdytyshoidon yhdistelmä oli turvallista ja hengitys ja verenkierto olivat hoidon aikana vakaita myös juuri elvytetyillä sydänpysähdyspotilailla, joilla valtaosalla oli merkittävä sepelvaltimotauti. Ksenon-yhdistelmähoito vähensi merkitsevästi aivojen valkean aineen vauriota magneettikuvauksen FA-arvoja verrattaessa. Myös sydänlihaksen vauriomerkkiaineen, troponiini-T:n arvot vähenivät elvytystä seuranneen 72 tunnin kuluessa merkitsevästi, sopien pienempään sydänlihasvaurioon yhdistelmähoitoa saaneessa tutkimusryhmässä. Nämä tulokset viittaavat ksenonin merkittävään neuro- ja kardioprotektiiviseen vaikutukseen käynnissä olevan hapenpuute-reperfuusiovaurion rajoittamisessa. Tutkimuspotilaiden kuolleisuus oli 30,9 %. Hoitoryhmien koko oli liian pieni merkitsevän eron havainnointiin henkiinjäämisessä tai toiminnallisessa neurologisessa selviytymisessä