The influence of neuromuscular blockade on phase lag entropy and bispectral index

Abstract

Among the various monitoring devices for the depth of sedation and anesthesia, bispectral index (BIS) is widely used in clinical practice. The BIS is calculated by using bispectral analysis and conventional frequency-power analyses of electroencephalogram and is a single variable scaled from 0 to 100, which is calculated from three subparameters, the Burst suppression ratio (BSR), the BetaRatio, and SynchFastSlow. However, neuromuscular blocking agent (NMBA) is known to affect BIS. The BetaRatio is calculated as the log of the ratio of power in two frequency bands {log (P30-40 Hz/P11-20 Hz)}, which includes the frequencies generated by muscle activity. This is why neuromuscular blockade (NMB) may exert an influence on BIS. NMB reduces BIS during sedation or light general anesthesia, but, does not affect BIS in general anesthesia. There are two causes of BIS change by NMBAs. One is the interference effect in the BIS by electromyography activity, and the other is that the stretch receptor of the muscle stimulates the brain's arousal center (Afferentation theories). However, this argument is controversial. Recently developed device (PLEM™) shows the phase lag entropy (PLE) that is calculated with appropriate weights for the three subparameters, PLE1, PLE2, and BSR, which are different from those in BIS. This new equipment for the depth of sedation and anesthesia predicts the complexity of communication between brain regions by calculating information entropy after extracting phase relationship patterns. PLE between two EEG signals from frontal and prefrontal montages is calculated. Although the frequency ranges of PLE2 are 0.1-1 Hz and 32-45 Hz, which include an EMG frequency band of 30 Hz or more, the PLE does not calculate the power value, unlike the BIS, which adopts the BetaRatio. Therefore, the effect of NMB on the PLE may be different from that on BIS. The goal of this study is to compare the effect of NMB on PLE with BIS in various sedation depths. This study was conducted after obtaining informed consent from patients after being approved by Ewha Womans University Mokdong Hospital Institutional Review Board. Forty patients, aged 19 to 60 years, scheduled for surgeries under general anesthesia, were randomized to one of two groups at the induction of anesthesia (group C or R) and at the end of surgery (group D or B) respectively. Before anesthesia, we compared BIS, EMG_BIS, PLE, EMG_PLE, PLE1, and PLE2 before and 2 min after closing eyes. During induction, while maintaining the effect site concentration (Ce) of propofol at the time of loss of consciousness, rocuronium (group R) or the same volume of normal saline as rocuronium (group C) was injected and the parameters were recorded every minute (TR0, TR1, TR2, TR3, and TR4) for 4 minutes. After surgery, while maintaining constant Ce of propofol to keep the BIS 40-55, group B and D received sugammadex and the same volume of normal saline as sugammadex, respectively, and the parameters were also recorded every minute for 4 minutes (TRV0, TRV1, TRV2, TRV3, and TRV4). We performed spectral analysis of saved EEG on PLEM™ if needed. As a result, total of 40 patients were enrolled, but some patients were excluded because of unsaved data or IV site swelling during induction, and unsaved data or intraoperative unexpected blood loss at the end of surgery. Finally, total 37 patients were included in study during induction. The BIS, EMG_BIS and EMG_PLE decreased significantly with closed eyes, but the PLE showed no significant change after closing the eyes. We selected 22 patients (9 in group C and 13 in group R), who showed BIS > 60 at TR0, for the comparison between values at TR0 (immediately before injection of study drugs) and them at TR4. In both groups C and R, BIS showed a significant decrease with a significant decrease of EMG_BIS 4 minutes after intervention (TR4) compared with before it (TR0). PLE and EMG_PLE were decreased significantly only in group R and ΔPLE (TR0 – TR4) in group R was significantly greater than that in group C, while there was no significant difference in ΔEMG_PLE (TR0 – TR4) between the two groups. Mean blood pressure and heart rate did not show any significant change over time in both groups. When we plotted the group-median spectrogram and power spectra from 4-minute-EEG data, the power was greater with group R over group C in the alpha, delta, and slow wave frequency bands. When plotted the power spectra for each group at TR0 and TR4 separately to find out the effect of NMB, the obvious changes in slow and delta frequency bands were observed at TR4 compared with TR0 in group R. At the end of surgery, in both groups D and B, there were no significant changes in both BIS and PLE 4 minutes after intervention (TRV4) compared with before it (TRV0), especially, despite increases of EMG_BIS and EMG_PLE in group B. Therefore, reversal of NMB did not affect BIS and PLE, despite significant increases of EMG 4 min after administration of sugammadex under general anesthesia. Mean blood pressure and heart rate did not show any significant change over time in two groups. In conclusion, the effect of EMG on BIS was evident, but not on PLE, in the awake state. In the sedation state, BIS decreased with decrease in EMG_BIS irrespective of NMB by rocuronium, but NMB decreased PLE, although the degree of decrease in EMG_PLE after NMB was similar to that after the placebo. In the anesthesia state, there was no effect of EMG on both BIS and PLE.;진정이나 마취를 시행할 때 환자의 수면 심도를 측정하는 다양한 종류의 감시 장치가 개발되어 임상에서 사용되고 있는데, 바이스펙트럼지수(BIS)는 임상에서 가장 널리 사용 되고 있다. BIS는 뇌파의 바이스펙트럼분석과 전통적인 주파수 파워 분석을 통하여 세 가지 하부모수인 Burst suppression ratio (BSR), BetaRatio, SyncFastSlow로부터 계산된 0에서 100사이 수치로 제공된다. 그러나 신경근차단제 투여는 BIS에 영향을 미치는 것으로 알려져 있어, 그 중 BetaRatio는 두 가지 주파수의 파워 비율에 로그 {log (P30-40 Hz/P11-20 Hz)}를 취하여 계산이 되는데, 이 중 근육의 움직임에 의해 발생되는 30 Hz 이상의 주파수가 포함된다. 이것이 BIS에 신경근차단이 영향을 줄 수 있는 이유가 된다. 진정 상태에서는 신경근차단이 BIS를 감소시키는 반면, 전신마취에서는 영향을 주지 않았다고 보고되고 있다. 이러한 신경근차단제에 의한 BIS 변화에는 두 가지 원인을 들 수 있다. 하나는 근전도 활성에 의한 BIS 방해효과이고 다른 하나는 근육의 신장 수용체가 뇌의 각성중추를 자극한다는 것 (구심성 이론)이다. 그러나 이러한 주장에 대해서는 아직 논란이 있다. PLEM™ 은 위상지연엔트로피(PLE)를 보여주는 최근 개발된 장치로, BIS와는 다른 세 가지 하부모수 (PLE1, PLE2, BSR)에 가중치를 달리 두어 계산된 것이다. 마취 및 진정 심도를 측정하는 새로운 장비는 전전두엽과 전두엽의 다채널 뇌파신호에서 위상관계 패턴을 추출한 후 정보 엔트로피를 계산하여 뇌 영역 간 커뮤니케이션의 복잡성을 예측한다. 이 중 PLE2의 주파수대역이 0.1-1 Hz, 32-45 Hz로 30 Hz 이상의 EMG 주파수 대역을 포함하지만, EMG 주파수 대역의 파워 값을 계산하는 BetaRatio를 하부 변수로 채택하는 BIS와는 달리 PLE는 파워 값을 계산하지 않는다. 그러므로 PLE는 신경근차단제에 의한 영향이 BIS와 다를 것으로 생각된다. 본 연구는 신경근차단이 PLE에 미치는 영향을 다양한 진정 심도에서 BIS와 비교하고자 하였다. 본 연구는 이대목동병원 윤리위원회의 승인을 받은 후 총 40명의 19세에서 60세에 해당되는 전신마취 하 정례수술이 예정된 사람들을 대상으로 동의서 취득 후 진행되었다. 마취 유도 상태에서의 연구 시의 대조군과 실험군(C군과 R군), 수술 종료 후 대조군과 실험군(D군과 B군)으로 제 3자에 의해 만들어진 난수표에 의해 무작위 배정 후 이중맹검법으로 진행되었다. 우리는 마취 전, 눈을 감기 전과 후에 BIS, EMG_BIS, PLE, EMG_PLE, PLE1, PLE2를 비교하였다. 마취 유도 시에는 의식 소실 시의 프로포폴 효과처 농도를 유지하면서, 군 별로 rocuronium (R군) 또는 동량의 생리식염수 (C군)를 투여한 후 4분 간 변수들을 기록하였다. 수술 종료 후에는 BIS 40에서 55 사이의 프로포폴 효과처 농도를 유지하면서 B군과 D군에 각각 sugammadex와 동량의 생리식염수를 투여하고 4분간 변수들을 기록하였다. 필요 시 PLEM ™을 통해 얻은 저장된 뇌파의 스펙트럼 분석을 시행하였다. 결과적으로 총 40명의 환자가 등록되었으며, 이 중 자료가 저장되지 않았거나 정맥주사 부위가 부었거나, 수술 중 예상치 못한 출혈로 인해 탈락된 환자를 제외하고 37명이 연구에 포함되었다. BIS, EMG_BIS and EMG_PLE는 눈을 감았을 때 의미 있게 감소하였지만 PLE의 의미 있는 변화는 없었다. 마취 유도 시 최종 등록된 환자는 C군 18명, R군 19명이었다. 이 중 BIS 60이상의 진정을 유지한 22명(C군: 9명, R군: 13명)을 대상으로 TR4에서 TR0와 비교했을 때 C군과 R군 모두에서 BIS는 EMG_BIS와 함께 의미 있게 감소하였다. PLE와 EMG_PLE는 오직 R군에서만 의미 있게 감소하였고, PLE의 TR0와 TR4간의 차는 R군에서 의미 있게 더 컸다. 반면, 두 군간 EMG_PLE의 차이는 의미 있게 나타나지 않았다. 이들에서 평균 혈압과 심박수도 시간에 따른, 군 간 유의한 변화는 보이지 않았다. 4분 간의 뇌파 데이터를 통해 그룹 중앙값 스펙트로그램과 파워 스펙트라를 그려보았을 때, 알파, 델타, 그리고 서파 주파수의 파워값은 R군에서 C군보다 크게 나타났다. TR0와 TR4 시점에서 파워 스펙트라를 각각 그려보았을 때, 서파와 델타파 주파수의 차는 R군에서 TR0에 비해 TR4에서 크게 관찰 되었다. 수술이 종료되었을 때는 D군 19명 B군 18명이 등록되었고, B군과 D군 모두에서 중재 후 4분 (TRV4)에 TRV0에 비하여 BIS와 PLE에 변화가 없었는데, 특히 B군에서 sugammadex 투여 후 EMG_BIS와 EMG_PLE가 모두 의미 있게 증가하였음에도 불구하고 BIS와 PLE 모두 변화가 없었다. 이들에서 평균 혈압과 심박수 또한 시간에 따른, 군 간 유의한 변화는 보이지 않았다. 따라서 전신마취 하에서 신경근차단 역전은 sugammadex 투여 4분 후 근전도의 의미 있는 상승에도 불구하고, BIS와 PLE에 영향을 주지 않았다. 결론적으로 깨어있는 상태에서는 BIS에 대한 근전도의 영향은 명백하게 나타났지만 PLE에서는 그렇지 않았다. 진정 상태에서는 신경근차단제 투여 여부와 관계없이 BIS는 EMG_BIS와 함께 감소하였다. EMG_PLE는 신경근차단 후 감소의 정도가 위약 투여 후와 비슷했음에도 불구하고 신경근차단은 PLE를 감소시켰다. 마취 상태에서는 BIS와 PLE 모두에 근전도의 영향이 없었다.