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Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Modelo de aprendizado de máquina com fronteira de decisão fechada para identificação de carcinoma hepatocelular inicial
Alternate title (s): Closed decision boundary machine learning model for detecting early hepatocellular carcinoma
Author: Thomaz, Ricardo de Lima
First Advisor: Soares, Alcimar Barbosa
First coorientator: Patrocinio, Ana Claudia
First member of the Committee: Macedo, Tulio Augusto Alves
Second member of the Committee: Carvalho, André Carlos Ponce de Leon Ferreira de
Third member of the Committee: Silva, Ana Maria Marques da
Summary: O carcinoma hepatocelular é o quinto tipo mais comum e o terceiro mais mortal entre todos os tipos de cânceres. A detecção precoce desta lesão é de alta relevância, uma vez que tratamentos curativos podem ser utilizados. Assim, sistemas propostos na literatura visam auxiliar o diagnóstico de lesões hepáticas em tomografia computadorizada. Entre os métodos para detecção automática, o uso de autoencoders para caracterização do parênquima hepático e busca sequencial de lesões apresenta bons resultados. Entretanto, a busca por regiões distintas do parênquima hepático não necessariamente resultará na detecção de lesões. Desta forma, foi levantada a hipótese de que o uso de um modelo de uma classe que caracteriza o CHC inicial como função de aptidão de uma meta-heurística permitirá a identificação de lesões em exames de CT. Para isso, foi proposto o uso de um conjunto de máquinas de vetores de suporte de uma classe (EOCSVM) para caracterizar o CHC inicial em um espaço de atributos previamente selecionado. Por meio do uso destes modelos como função de aptidão de uma otimização por enxame de partículas, foi feita a detecção de regiões com alta probabilidade de conter um CHC inicial. Após a avaliação de 28 exames por um método de validação cruzada, 97,05% das lesões foram corretamente detectadas pelo modelo EOCSVM que priorizou a minimização de falso-negativos. Os modelos priorizando F-Score e falso-positivos resultaram em 89,70% e 82,35% de lesões detectadas, respectivamente. Avaliando os resultados no ponto de máxima sensibilidade, o EOCSVMFN resultou em uma média de 3,91 casos de falso-positivos por exame, similar ao estado da arte. As áreas abaixo das curvas ROC para os modelos priorizando FN, F-Score e FP resultaram em 0.94, 0.84 e 0.82, respectivamente. Portanto, os resultados apresentados permitiram confirmar a hipótese de que o uso de um modelo OCSVM caracterizando CHC inicial como função de aptidão de um PSO possibilita a detecção de CHC inicial em exames de CT. Como principal contribuição científica, esta tese introduziu o uso de modelos de fronteira de decisão fechada como função de aptidão de um algoritmo de otimização com o foco em detecção de regiões de interesse.
Abstract: Hepatocellular carcinoma is the fifth most common and the third most deadly type among all cancers. Its early detection is of high relevance since curative treatments can be used. Thus, computer systems available in the literature aim to aid in the diagnosis of hepatic lesions in computed tomography. Among the methods for automatic detection, the use of autoencoders for characterizing the hepatic parenchyma and searching lesions show good results. However, this search will not necessarily result in the detection of lesions. Thus, we hypothesized that the use of a one-class model that characterizes early HCC as a fitness function of a metaheuristic will allow the identification of lesions in CT scans. For this, we proposed the use of an ensemble of one-class support vector machines (EOCSVM) to characterize early HCC. By using these models as the fitness function of a Particle Swarm Optimization algorithm, regions with a high probability of early HCC were detected. After evaluating 28 exams by a cross-validation method, 97.05% of the lesions were correctly detected by the EOCSVM model that prioritized the minimization of false negatives. Models prioritizing F-Score and false positives resulted in 89.70% and 82.35% of lesions detected, respectively. By evaluating the results at the point of maximum sensitivity, the EOCSVMFN resulted in an average of 3.91 false positive cases per exam, similarly to the state-of-the-art. The areas under the ROC curves for the models prioritizing FN, F-Score and FP resulted in 0.94, 0.84 and 0.82, respectively. Therefore, the results allowed us to confirm the hypothesis that the use of an OCSVM model characterizing early HCC as a PSO fitness function allows the detection of early HCC in CT exams. As the main scientific contribution, this thesis introduced the use of closed decision boundary models as fitness function of an optimization algorithm with the focus on detecting regions of interest.
Keywords: Carcinoma hepatocelular
Hepatocellular carcinoma
Detecção automática
Automatic detection
Classificação
Classification
Classificadores de uma classe
One-class classifiers
Sistemas CAD
CAD systems
Engenharia elétrica
Electrical engineering
Fígado
Liver
Câncer
Diagnóstico
Tomografia computadorizada
Computed tomography
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA::BIOENGENHARIA::PROCESSAMENTO DE SINAIS BIOLOGICOS
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Quote: THOMAZ, Ricardo de Lima. Modelo de aprendizado de máquina com fronteira de decisão fechada para identificação de carcinoma hepatocelular inicial. 2018. 179 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2018.
Document identifier: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2018.769
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/21274
Date of defense: 11-Apr-2018
Appears in Collections:TESE - Engenharia Elétrica

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