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Fully Automated and AI-Assisted Optical Fiber Sensing System for Multiplexed and Continuous Brain Monitoring

持续监测 生物标志物 光纤 多路复用 生物医学工程 计算机科学 创伤性脑损伤 光纤传感器 纤维 材料科学 医学 化学 电信 生物化学 运营管理 经济 复合材料 精神科
作者
Yuqian Zhang,Naihan Zhang,Yubing Hu,Christopher Pereira,Michael Fertleman,Nan Jiang,Ali K. Yetisen
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
卷期号:9 (12): 6605-6620
标识
DOI:10.1021/acssensors.4c02126
摘要

Continuous and comprehensive brain monitoring is crucial for timely identification of changes or deterioration in brain function, enabling prompt intervention and personalized treatments. However, existing brain monitoring systems struggle to offer continuous and accurate monitoring of multiple brain biomarkers simultaneously. This study introduces a multiplexed optical fiber sensing system for continuous and simultaneous monitoring of six cerebrospinal fluid (CSF) biomarkers using tip-functionalized optical fibers and computational algorithms. Optimized machine learning models are developed and integrated for real-time spectra analysis, allowing for precise and continuous readout of biomarker concentrations. The developed machine learning-assisted fiber optic sensing system exhibits high sensitivity (0.04, 0.38, 0.67, 2.62, 0.0064, 0.33 I/I0 change per units of temperature, dissolved oxygen, glucose, pH, Na+, Ca2+, respectively), reversibility, and selectivity toward target biomarkers with a total diameter less than 2.5 mm. By monitoring brain metabolic and ionic dynamics, this system accurately identified brain physiology deterioration and recovery using ex vivo traumatic brain injury models. Additionally, the system successfully tracked biomarker fluctuations in clinical CSF samples with high accuracy (R2 > 0.93), demonstrating excellent sensitivity and selectivity in reflecting disease progression in real time. These findings underscore the enormous potential of automated and multiplexed optical fiber sensing systems for intraoperative and postoperative monitoring of brain physiologies.

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