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https://hdl.handle.net/10216/167923| Author(s): | Vasco Pereira de Freixo Ferreira |
| Title: | Features from Pupillary Reflex Dilation and neural networks classification of remifentanil effect |
| Issue Date: | 2025-06-27 |
| Abstract: | Background: Pupillary Reflex Dilation (PRD) is a physiological response characterized by pupil dilation following noxious stimuli. PRD is attenuated by opioids, thus serving as an indicator of nociception-antinociception balance. Although various metrics derived from PRD have been proposed, there is no consensus on the optimal measure correlating with opioid pharmacological effects. Neural network modeling has shown potential in interpreting complex physiological signals; however, no previous studies have systematically evaluated multiple PRD-derived features using advanced machine learning techniques to classify opioid effects. In this study we analyze multiple PRD-derived metrics using neural network modeling to classify remifentanil effect-site concentrations during general anesthesia with propofol and remifentanil. Methods: This prospective observational study enrolled 86 patients undergoing elective general surgery or gynecological procedures under anesthesia exclusively with propofol and remifentanil. PRD was measured using a portable infrared pupillometer during standardized noxious stimulation at varying estimated effect-site concentrations of propofol and remifentanil. Data were modeled using an ordinal differential equation incorporating stimulus characteristics. Extracted features included baseline pupil diameter, maximum dilation amplitude, dilation delays, percentage dilation, maximum and minimum pupil diameter variations, and area under the curve (AUC). Correlation analysis reduced feature dimensionality before training a neural network classifier to categorize remifentanil concentrations into three groups: 0 ng/mL, 0-2 ng/mL, and >2 ng/mL. Results: From an initial dataset of 1,294 PRD records, 1,264 were analyzed after exclusions. The developed model accurately captured dynamic PRD characteristics across anesthetic conditions. Higher remifentanil concentrations correlated with reduced peak pupil size, smaller AUC values, decreased percentage and absolute changes in pupil diameter, and shorter dilation delays. The neural network achieved an overall classification accuracy of 72.3% on the test set, performing well at distinguishing extreme groups (80.0% accuracy for 0 ng/mL and 88.1% for >2 ng/mL) but less effectively classifying intermediate concentrations (40.6% accuracy for 0-2 ng/mL). Discussion: The study demonstrates that PRD-derived metrics analyzed via neural networks can effectively classify opioid effect-site concentrations during anesthesia. Lower accuracy in intermediate concentration classification likely reflects interpatient variability inherent to population-based pharmacokinetic-pharmacodynamic modeling rather than limitations of PRD measurement itself. Standardized automated pupillometry provided consistent stimulus intensity and reduced operator-dependent variability. |
| Description: | Contexto: O reflexo de dilatação pupilar (PRD) é uma resposta fisiológica caracterizada pela dilatação pupilar após um estímulo nóxico. O PRD é atenuado por opióides, servindo como indicador do balanco da nociceção-antinociceção. Embora tenham sido propostas várias métricas derivadas da PRD, não há consenso sobre a medida ideal que se correlaciona com os efeitos farmacológicos dos opióides. A modelação de redes neurais tem demonstrado potencial na interpretação de sinais fisiológicos complexos; no entanto, nenhum estudo prévio avaliou sistematicamente múltiplas caraterísticas derivadas da PRD utilizando técnicas avançadas de aprendizagem automatizada para classificar os efeitos dos opióides. Neste estudo, analisamos várias métricas derivadas da PRD usando modelação de rede neural para classificar as concentrações no local de efeito do remifentanil durante a anestesia geral com propofol e remifentanil. Métodos: Este estudo observacional prospetivo incluiu 86 pacientes submetidos a cirurgia geral ou procedimentos ginecológicos eletivos sob anestesia exclusivamente com propofol e remifentanil. O PRD foi medido utilizando um pupilómetro de infravermelhos portátil durante uma estimulação nóxica padronizada, em variadas concentrações estimadas de propofol e remifentanil. Os dados foram modelados utilizando uma equação diferencial ordinal, incorporando características do estímulo. As características extraídas incluíram o diâmetro pupilar basal, a amplitude de dilatação máxima, atrasos de dilatação, percentagem de dilatação, variações do diâmetro pupilar máximas e mínimas e área abaixo da curva (AUC). A análise de correlação reduziu a dimensionalidade das características previamente ao treino de uma rede neural classificadora para categorizar as concentrações de remifentanil em três grupos: 0 ng/mL, 0-2 ng/mL e > 2 ng/mL. Resultados: Do conjunto de dados inicial de 1.294 registos do PRD, foram analisados 1.264 após exclusões. O modelo desenvolvido captou com precisão as características dinâmicas do PRD em todas as condições anestésicas. Concentrações mais elevadas de remifentanil correlacionaram-se com um pico do tamanho pupilar reduzido, valores de AUC mais pequenos, diminuição das alterações percentuais e absolutas no diâmetro pupilar e atrasos na dilatação mais curtos. A rede neural alcançou uma exatidão de 72.3% no conjunto do teste, com um bom desempenho na distin�\xA7ão dos grupos extremos (80.0% de exatidão para 0 ng/mL e 88.1% para > 2 ng/mL), mas com menor eficácia a classificar concentrações intermédias (40.6% de exatidão para 0-2 ng/mL). Discussão: Este estudo demonstra que as características derivadas do PRD analisadas por redes neurais conseguem classificar as concentrações no local de efeito dos opióides durante a anestesia de forma eficaz. A menor exatidão na classificação de concentrações intermédias provavelmente refletirá variabilidade entre pacientes inerente aos modelos farmacocinéticos-farmacodinâmicos de base populacional, mais do que limitações da própria medição do PRD. A pupilometria automatizada e padronizada forneceu um estímulo de intensidade constante e reduziu a variabilidade dependente do operador. |
| Subject: | Medicina clínica Clinical medicine |
| Scientific areas: | Ciências médicas e da saúde::Medicina clínica Medical and Health sciences::Clinical medicine |
| TID identifier: | 204145503 |
| URI: | https://hdl.handle.net/10216/167923 |
| Document Type: | Dissertação |
| Rights: | restrictedAccess |
| License: | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ |
| Appears in Collections: | FMUP - Dissertação |
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