Automatic Control of General Anesthesia: New Developments and Clinical Experiments

General anesthesia is a state of pharmacologically induced, temporary and reversible coma. Its goal is to cause total loss of consciousness and suppress the perception of pain. It constitutes a fundamental aspect of modern medicine as it allows invasive surgical procedures to be performed without causing anxiety and pain to the patient. In the clinical practice of total intravenous anesthesia, these effects are generally obtained by the simultaneous administration of the hypnotic drug propofol and of the analgesic drug remifentanil. The dosing of these drugs is managed by the anesthesiologist on the basis of pharmacological guidelines and by monitoring the patient's clinical response. Recent developments in physiological signal processing techniques have introduced the possibility to obtain quantitative indicators of the patient's anesthetic state. These indicators can be used as feedback signals for automatic anesthesia control systems. The development of these systems aims to provide a support tool for the anesthesiologist. The work presented in this thesis has been carried out in the framework of the research project concerning the automatic control anesthesia at the University of Brescia. The project is called ACTIVA (Automatic Control of Total IntraVenous Anesthesia) and is the result of the collaboration between the Research Group on Control Systems of the University of Brescia and the Anesthesia and Intensive Care Unit 2 of the Spedali Civili di Brescia. The objective of the ACTIVA project consists in the theoretical development, implementation, and clinical validation of innovative control strategies for the automatic control of total intravenous anesthesia. In detail, in this thesis the experimental results obtained with control structures based on the PID and on event-based PID controllers for the administration of propofol and remifentanil are initially presented. The theoretical development and clinical validation of model predictive control strategies is then proposed. Next, the results of a simulation study regarding an innovative control solution that allows the anesthesiologist to explicitly adjust the balance between propofol and remifentanil are given. Finally, the theoretical developments and the relative simulation studies concerning personalized control solutions for induction and maintenance phases of anesthesia are explained.

L’anestesia generale è uno stato di coma farmacologicamente indotto, temporaneo e reversibile. Il suo obiettivo consiste nel provocare la perdita totale della coscienza e nel sopprimere la percezione del dolore. Essa costituisce un aspetto fondamentale per la medicina moderna in quanto consente di praticare interventi chirurgici invasivi senza causare ansia e dolore al paziente. Nella pratica clinica dell’anestesia totalmente endovenosa questi effetti vengono generalmente ottenuti mediante la somministrazione simultanea del farmaco ipnotico propofol e del farmaco analgesico remifentanil. Il dosaggio di questi farmaci viene gestito dal medico anestesista basandosi su linee guida farmacologiche e monitorando la risposta clinica del paziente. Recenti sviluppi nelle tecniche di elaborazione dei segnali fisiologici hanno consentito di ottenere degli indicatori quantitativi dello stato anestetico del paziente. Tali indicatori possono essere utilizzati come segnali di retroazione per sistemi di controllo automatico dell'anestesia. Lo sviluppo di questi sistemi ha come obiettivo quello di fornire uno strumento di supporto per l'anestesista. Il lavoro presentato in questa tesi è stato svolto nell'ambito del progetto di ricerca riguardante il controllo automatico dell'anestesia attivo presso l'Università degli Studi di Brescia. Esso è denominato ACTIVA (Automatic Control of Total IntraVenous Anesthesia) ed è il risultato della collaborazione tra il Gruppo di Ricerca sui Sistemi di Controllo dell’Università degli Studi di Brescia e l’Unità Operativa Anestesia e Rianimazione 2 degli Spedali Civili di Brescia. L’obiettivo del progetto ACTIVA consiste nello sviluppo teorico, nell’implementazione e nella validazione clinica di strategie di controllo innovative per il controllo automatico dell’anestesia totalmente endovenosa. Nel dettaglio, in questa tesi vengono inizialmente presentati i risultati sperimentali ottenuti con strutture di controllo basate sull'algoritmo PID e PID ad eventi per la somministrazione di propofol e remifentanil. Viene poi presentato lo sviluppo teorico e la validazione clinica di strutture di controllo predittivo basate su modello. Successivamente vengono presentati i risultati di uno studio in simulazione riguardante una soluzione di controllo innovativa che consente all'anestesista di regolare esplicitamente il bilanciamento tra propofol e remifentanil. Infine, vengono presentati gli sviluppi teorici ed i relativi studi in simulazione riguardanti soluzioni di controllo personalizzate per le fasi di induzione e mantenimento dell'anestesia.