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Median Nerve Stimulation to Detect Awake and Anesthetized
States with Riemannian Classifiers

Valérie Marissens Cueva¹,², Sébastien Rimbert¹, Ana Maria Cebolla Alvarez³, Mathieu Petieau³, Viktoriya Vitkova³, Iraj Hashemi³, Guy Cheron³, Claude Meistelman⁴, Philippe Guerci⁴, Denis Schmartz⁵, Seyed Javad Bidgoli⁶, Laurent Bougrain², Fabien Lotte¹

¹Inria Center at Univ. Bordeaux / LaBRI, Talence, France; ²Université de Lorraine, CNRS, LORIA, Nancy, France; ³Laboratory of Neurophysiology and Movement Biomechanics, Université Libre de Bruxelles, Bruxelles, Belgium; ⁴CHRU de Nancy, Vandoeuvre-lès-Nancy, France; ⁵Hôpital Universitaire de Bruxelles - Université Libre de Bruxelles, Bruxelles, Belgium; ⁶CHU Brugmann, Bruxelles, Belgium. E-mail: valerie.marissens@loria.fr

Among all the operations with general anesthesia worldwide, some patients have had the terrible ex-
perience of Accidental Awareness during General Anesthesia (AAGA), an unexpected awakening during
surgery [1], potentially leading to pain, recall of surgical events and post-traumatic stress disorders [2].
The inability to predict AAGA using only clinical signs, leads to the use of brain activity monitors [3].
Given AAGA patients' first reflex to move, impeded by neuromuscular-blocking agents, we propose using
a new Brain Computer Interface (BCI) with Median Nerve Stimulation (MNS) to detect their movement
intentions (MI). Combining MI and MNS significantly impacts MNS-generated patterns, leading to better
MI detection accuracy. MNS also provides a trigger, resulting in better classification (+18%) compared to
asynchronous BCI [4].

To continue in this direction, we analyzed the MNS patterns of 13 patients receiving propofol, an intra-
venous anesthetic, during surgery at CHU Brugmann, Belgium [5]. Two conditions were examined: EEG
activities of preoperative MNS while the patient is awake (MNS-awake), and intraoperative MNS during
various stages of anesthesia (MNS-anesthesia). Then, a Riemannian Minimum Distance to the Mean classi-
fier achieved 97% test balanced accuracy in distinguishing awake and anesthetized states. We also observed
the classifier's response evolution with anesthesia depth, in terms of distance between the MNS-awake class
centroid and covariance matrices of other trials throughout the surgery (Fig. 1). This distance appears
to track the patients' awareness level: it is greater during the maintenance phase, at deeper anesthetic
concentrations, than during the induction or emergence phases. This holds potential for creating a one-
class classifier using this distance, only relying on MNS-awake data, as MNS-anesthesia data are usually
unavailable for calibration during regular surgeries.

<figure><img src="image_1.png" /><figcaption>(b) Subject 9 (MDM test balanced accuracy: 86%). Between 2 and 6 µg/ml, external operating room events affected the EEG signals, potentially explaining the classification errors.</figcaption></figure>

<caption>**Figure 1:** Distances of each test sample to the MNS-awake class centroid. Real labels are presented by colors: green for the preoperative session (MNS-awake) and red for the intraoperative session (MNS-anesthesia). Below, a bar indicates when the classifier predicted MNS-awake. When propofol reaches the target concentration, a gray line with a label indicate the corresponding propofol concentration (in µg/ml). Each run is differentiated by alternating background colors (white, gray), and labeled as preoperative (P) or intraoperative (I) runs.</caption>

[1] Tasbihgou SR, Vogels MF, Absalom AR. Accidental awareness during general anaesthesia – a narrative review. Anaesthesia. 2018;73(1):112–122.

[2] Leslie K, Chan MTV, Myles PS, Forbes A, McCulloch TJ. Posttraumatic stress disorder in aware patients from the b-aware trial. Anesth. Analg. 2010;110(3):823–828.

[3] Bruhn J, Myles PS, Sneyd R, Struys MMRF. Depth of anaesthesia monitoring: what's available, what's validated and what's next? Br. J. Anaesth. 2006;97(1):85–94.

[4] Rimbert S, Riff P, Gayraud N, Schmartz D, Bougrain L. Median nerve stimulation based bci: A new approach to detect intraoperative awareness during general anesthesia. Front. Neurosci. 2019;13.

[5] Rimbert S et al. Detection of motor cerebral activity after median nerve stimulation during general anesthesia (stim-motana): Protocol for a prospective interventional study. JMIR Res. Protoc. 2023;12:e43870.
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