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AI-Enhanced High-Density NIRS Patch for Real-Time Brain Layer Oxygenation Monitoring in Neurological Emergencies

医学 充氧 可靠性(半导体) 冲程(发动机) 生物医学工程 成像体模 人工神经网络 血液氧合 急性中风 人工智能 计算机科学 心脏病学 重症监护 神经科学 深层神经网络 图层(电子) 模式识别(心理学) 特征(语言学) 脑电图 缺血性中风
作者
Minsu Ji,Jihoon Kang,Shumin Yu,Jae‐Myoung Kim,Koh, Bumjun,Jimin Lee,G.H. Jeong,Jae Hyung Choi,Chang‐Ho Yun,Hyeon‐Min Bae
标识
DOI:10.48550/arxiv.2511.05612
摘要

Photon scattering has traditionally limited the ability of near-infrared spectroscopy (NIRS) to extract accurate, layer-specific information from the brain. This limitation restricts its clinical utility for precise neurological monitoring. To address this, we introduce an AI-driven, high-density NIRS system optimized to provide real-time, layer-specific oxygenation data from the brain cortex, specifically targeting acute neuro-emergencies. Our system integrates high-density NIRS reflectance data with a neural network trained on MRI-based synthetic datasets. This approach achieves robust cortical oxygenation accuracy across diverse anatomical variations. In simulations, our AI-assisted NIRS demonstrated a strong correlation (R2=0.913) with actual cortical oxygenation, markedly outperforming conventional methods (R2=0.469). Furthermore, biomimetic phantom experiments confirmed its superior anatomical reliability (R2=0.986) compared to standard commercial devices (R2=0.823). In clinical validation with healthy subjects and ischemic stroke patients, the system distinguished between the two groups with an AUC of 0.943. This highlights its potential as an accessible, high-accuracy diagnostic tool for emergency and point-of-care settings. These results underscore the system's capability to advance neuro-monitoring precision through AI, enabling timely, data-driven decisions in critical care environments.

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