Studies on the assessment of the adequacy of anesthesia

Several hypnosis monitoring systems based on the processed electroencephalogram (EEG) have been developed for use during general anesthesia. The assessment of the analgesic component (antinociception) of general anesthesia is an emerging field of research. This study investigated the interaction of hypnosis and antinociception, the association of several physiological variables with the degree of intraoperative nociception, and aspects of EEG Bispectral Index Scale (BIS) monitoring during general anesthesia. In addition, EEG features and heart rate (HR) responses during desflurane and sevoflurane anesthesia were compared. A propofol bolus of 0.7 mg/kg was more effective than an alfentanil bolus of 0.5 mg in preventing the recurrence of movement responses during uterine dilatation and curettage (D C) after a propofol-alfentanil induction, combined with nitrous oxide (N2O). HR and several HR variability-, frontal electromyography (fEMG)-, pulse plethysmography (PPG)-, and EEG-derived variables were associated with surgery-induced movement responses. Movers were discriminated from non-movers mostly by the post-stimulus values per se or normalized with respect to the pre-stimulus values. In logistic regression analysis, the best classification performance was achieved with the combination of normalized fEMG power and HR during D C (overall accuracy 81%, sensitivity 53%, specificity 95%), and with the combination of normalized fEMG-related response entropy, electrocardiography (ECG) R-to-R interval (RRI), and PPG dicrotic notch amplitude during sevoflurane anesthesia (overall accuracy 96%, sensitivity 90%, specificity 100%). ECG electrode impedances after alcohol swab skin pretreatment alone were higher than impedances of designated EEG electrodes. The BIS values registered with ECG electrodes were higher than those registered simultaneously with EEG electrodes. No significant difference in the time to home-readiness after isoflurane-N2O or sevoflurane-N2O anesthesia was found, when the administration of the volatile agent was guided by BIS monitoring. All other early and intermediate recovery parameters were also similar. Transient epileptiform EEG activity was detected in eight of 15 sevoflurane patients during a rapid increase in the inspired volatile concentration, and in none of the 16 desflurane patients. The observed transient EEG changes did not adversely affect the recovery of the patients. Following the rapid increase in the inhaled desflurane concentration, HR increased transiently, reaching its maximum in two minutes. In the sevoflurane group, the increase was slower and more subtle. In conclusion, desflurane may be a safer volatile agent than sevoflurane in patients with a lowered seizure threshold. The tachycardia induced by a rapid increase in the inspired desflurane concentration may present a risk for patients with heart disease. Designated EEG electrodes may be superior to ECG electrodes in EEG BIS monitoring. When the administration of isoflurane or sevoflurane is adjusted to maintain BIS values at 50-60 in healthy ambulatory surgery patients, the speed and quality of recovery are similar after both isoflurane-N2O and sevoflurane-N2O anesthesia. When anesthesia is maintained by the inhalation of N2O and bolus doses of propofol and alfentanil in healthy unparalyzed patients, movement responses may be best avoided by ensuring a relatively deep hypnotic level with propofol. HR/RRI, fEMG, and PPG dicrotic notch amplitude are potential indicators of nociception during anesthesia, but their performance needs to be validated in future studies. Combining information from different sources may improve the discrimination of the level of nociception.Useita aivosähkökäyrään (EEG) perustuvia unen syvyyden valvontamenetelmiä on kehitetty yleisanestesian aikana käytettäväksi. Kudosvaurion aiheuttamia ärsykkeitä vaimentavan yleisanestesian osan arviointimenetelmien tutkimus on alkamassa. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin unen syvyyden ja kudosvaurion aiheuttamien ärsykkeiden vaimennuksen vuorovaikutusta, useiden elimistön toimintaa kuvaavien muuttujien ja kudosvaurion aiheuttaman ärsytyksen suhdetta sekä EEG:n bispektraali-indeksin (BIS) käyttöä yleisanestesian valvonnassa. Lisäksi verrattiin desfluraani- ja sevofluraanianestesiaan liittyviä EEG-muutoksia ja sykevasteita. Kun anestesia oli aloitettu propofolilla, alfentaniililla ja typpioksiduulilla (N2O), propofoliannos 0.7 mg/kg esti liikevasteiden toistumista kohdun kaavinnan aikana tehokkaammin kuin alfentaniiliannos 0.5 mg. Sydämen syke ja useat sykevaihtelusta, otsalihastoiminnasta, pulssiaallon mittauksesta ja EEG:sta johdetut muuttujat olivat yhteydessä leikkauksen aiheuttamiin liikevasteisiin. Pääsääntöisesti ärsykkeen jälkeen mitatut arvot sellaisenaan tai suhteutettuna ärsykettä edeltäviin arvoihin (normalisoituna) erottelivat liikkuvat potilaat liikkumattomista potilaista. Paras luokittelu saavutettiin kohdun kaavinnan aikana yhdistämällä tieto normalisoidusta otsalihastoiminnasta ja sykkeestä (herkkyys 53%, tarkkuus 95%), ja sevofluraanianestesian aikana yhdistämällä tieto normalisoidusta (otsalihastoimintaan liittyvästä) vaste-entropiasta, sykkeestä ja pulssiaallon muodosta (herkkyys 90%, tarkkuus 100%). Kun iho valmisteltiin vain pyyhkäisemällä alkoholilla, sydänsähkökäyrän (EKG) mittaukseen tarkoitettujen elektrodien sähköinen vastus oli suurempi kuin EEG:n mittaukseen tarkoitettujen elektrodien. EKG-elektrodeilla mitatut BIS-arvot olivat korkeampia kuin samanaikaisesti EEG-elektrodeilla mitatut BIS-arvot. Kun höyrystyviä anestesia-aineita annosteltiin BIS-arvojen mukaan, toipuminen oli yhtä nopeaa isofluraani-N2O-anestesian jälkeen kuin sevofluraani-N2O-anestesian jälkeen. Kun höyrystyvän anestesia-aineen pitoisuutta nostettiin nopeasti viiden minuutin ajaksi, ohimenevää epileptistä aivosähkötoimintaa havaittiin kahdeksalla viidestätoista sevofluraanipotilaasta, mutta ei yhdelläkään kuudestatoista desfluraanipotilaasta. Havaitut ohimenevät EEG-muutokset eivät vaikuttaneet haitallisesti potilaiden toipumiseen. Desfluraanipitoisuuden nopean noston jälkeen syke kiihtyi ohimenevästi ja saavutti huippunsa kahdessa minuutissa. Sevofluraaniryhmässä sykenousu oli hitaampi ja lievempi. Tulosten perusteella voidaan todeta, että desfluraani saattaa olla sevofluraania turvallisempi anestesia-aine potilailla joiden kouristuskynnys on alentunut. Nopeaan desfluraanipitoisuuden nostoon liittyvä sykenousu voi olla haitallinen sydänsairaille potilaille. EEG-elektrodit ovat BIS-mittauksessa parempia kuin halvemmat EKG-elektrodit. Kun höyrystyvä anestesia-aine annostellaan siten että BIS-arvo pysyy välillä 50-60, toipuminen on samankaltainen sekä isofluraani-N2O- että sevofluraani-N2O-anestesian jälkeen terveillä päiväkirurgisilla potilailla. Kun anestesiaa ylläpidetään N2O:lla sekä propofoli- ja alfentaniiliannoksilla terveillä potilailla, joiden lihastoimintaa ei ole lamattu, liikevasteita estetään mahdollisesti parhaiten pitämällä uni verrattain syvänä propofolin avulla. Sydämen syke, otsalihastoiminta ja pulssiaallon muoto saattavat soveltua kudosvaurion aiheut-taman ärsytyksen valvontaan anestesian aikana, mutta lisätutkimuksia aiheesta tarvitaan. Kudosvaurion aiheuttaman ärsytyksen arviointia voidaan mahdollisesti tarkentaa yhdistämällä tietoa useista elimistön toimintaa kuvaavista muuttujista

Intelligent Biosignal Processing in Wearable and Implantable Sensors

This reprint provides a collection of papers illustrating the state-of-the-art of smart processing of data coming from wearable, implantable or portable sensors. Each paper presents the design, databases used, methodological background, obtained results, and their interpretation for biomedical applications. Revealing examples are brain–machine interfaces for medical rehabilitation, the evaluation of sympathetic nerve activity, a novel automated diagnostic tool based on ECG data to diagnose COVID-19, machine learning-based hypertension risk assessment by means of photoplethysmography and electrocardiography signals, Parkinsonian gait assessment using machine learning tools, thorough analysis of compressive sensing of ECG signals, development of a nanotechnology application for decoding vagus-nerve activity, detection of liver dysfunction using a wearable electronic nose system, prosthetic hand control using surface electromyography, epileptic seizure detection using a CNN, and premature ventricular contraction detection using deep metric learning. Thus, this reprint presents significant clinical applications as well as valuable new research issues, providing current illustrations of this new field of research by addressing the promises, challenges, and hurdles associated with the synergy of biosignal processing and AI through 16 different pertinent studies. Covering a wide range of research and application areas, this book is an excellent resource for researchers, physicians, academics, and PhD or master students working on (bio)signal and image processing, AI, biomaterials, biomechanics, and biotechnology with applications in medicine