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Application of deep learning-based facial pain recognition model for postoperative pain assessment - 16/07/25

Doi : 10.1016/j.jclinane.2025.111898 
Ji-Tuo Zhang a, 1, Xiao-Yi Hu b, 1, Wen Duan a, Mu-Huo Ji, (Ph.D) b, ⁎⁎ , Jian-Jun Yang, (Ph.D) a,
a Department of Anesthesiology, Pain and Perioperative Medicine, The First Affiliated Hospital of Zhengzhou University, Zhengzhou, Henan, China 
b Department of Anesthesiology, The Second Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing, Jiangsu, China 

Corresponding author at: Department of Anesthesiology, Pain and Perioperative Medicine, The First Affiliated Hospital of Zhengzhou University, No.1 East Jianshe Road, Zhengzhou, Henan 450052, China.Department of Anesthesiology, Pain and Perioperative MedicineThe First Affiliated Hospital of Zhengzhou UniversityNo.1 East Jianshe RoadZhengzhouHenan450052China⁎⁎Corresponding author at: Department of Anesthesiology, The Second Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, No.121 Jiangjiayuan, Nanjing, Jiangsu 210011, China.Department of AnesthesiologyThe Second Affiliated Hospital of Nanjing Medical UniversityNo.121 JiangjiayuanNanjingJiangsu210011China

Abstract

Background

Postoperative pain is a common and complex issue that affects patients' recovery and the quality of healthcare. Traditional pain assessment methods—primarily based on self-reporting and clinical observation—are often inadequate, particularly for patients with communication impairments. Deep learning technology offers new opportunities for automatic pain assessment. However, progress in this area is hindered by the limited availability of high-quality clinical datasets and a paucity of studies addressing real-world model deployment. This gap between laboratory research and clinical application requires further study.

Methods

The study constructed two distinct datasets to capture both clinical and laboratory scenarios. The Clinical Pain Dataset (CPD) includes 3411 facial pain images from 503 postoperative patients, while Simulated Pain Dataset (SPD) contains 1038 images from 51 volunteers. The two datasets were combined to form the Combined Dataset (CD). A pre-trained VGG16 model was used for training and validation. The model's performance on different datasets and pain levels was evaluated using area under the receiver operating characteristic curve (AUROC) and F1 scores.

Results

In the CPD and CD, the model demonstrated its highest performance in identifying severe pain, achieving AUROC values of 0.898 (95 %CI,0.877–0.917) and 0.867 (95 %CI,0.844–0.889), respectively. For overall evaluation, the highest AUROC values were observed in CPD-train (0.898 [95 % CI: 0.877–0.917]) and CD-train (0.917 [95 % CI: 0.883–0.948]) for severe pain classification. Building on these results, a facial pain recognition software was developed based on the model, offering a new option for clinical pain identification.

Conclusions

The findings indicate that deep learning models leveraging facial expression analysis hold significant potential to recognize varying degrees of pain in clinical settings, especially severe pain. In the future, they could help anesthesiologists monitor postoperative patients' pain levels in real-time, enhancing the quality of medical services.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Highlights

Deep learning models' capability for pain recognition in post-anesthesia care units remains unexplored.
We built lab, post-anesthesia, and mixed datasets for comprehensive model training and validation.
Demonstrated deep learning potential in pain recognition, developing facial pain recognition software.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Deep learning, Face recognition, Artificial intelligence, Pain management, Anesthesiology


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