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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-7864-5568
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Aprendizado de máquina como ferramenta para o prognóstico de pacientes em coma usando sinais eletroencefalográficos no espectro de 1 a 100 Hz
Alternate title (s): Machine learning as a tool for the prognosis of patients in a coma using electroencephalographic signals in the spectrum from 1 to 100 Hz
Author: Ramos, Camila Davi
First Advisor: Destro Filho, João Batista
First member of the Committee: Saito, Jose Hiroki
Second member of the Committee: Carneiro, Murillo Guimarães
Third member of the Committee: Rodrigues, Aurelia Aparecida de Araújo
Fourth member of the Committee: Campos, Marcos
Fifth member of the Committee: Silva, Eduardo Jorge Custodio da
Summary: Sabe-se que o sinal eletroencefalográfico é relativamente simples em termos de aquisição. Bastante utilizado em Unidades de Terapia Intensiva, o acompanhamento neurológico de pacientes clinicamente comatosos por meio desse sinal tem sido constatado pela literatura internacional como um dos elementos que auxiliam o prognóstico do paciente em coma. Esta última pode desdobrar em dois desfechos ao paciente conforme o nível de consciência medido: bom ou ruim. O desfecho ruim pode ser o óbito por causas clínicas ou ainda referente à morte encefálica. Conseguir distinguir o desfecho do paciente comatoso utilizando ferramentas do sinal eletroencefalográfico em frequências de 1 a 100 Hz a partir de modelos matemáticos é o objetivo central desse estudo. Registros de EEG de pacientes comatosos foram considerados nessa pesquisa sendo divididos em três desfechos possíveis. Nesse contexto a metodologia desse estudo aborda cálculos quantitativos do sinal EEG desses pacientes, tanto no domínio do tempo quanto no domínio da frequência, levando em consideração para este último, duas faixas distintas de análises: a primeira considerando o sinal clínico, de 1 a 30 Hz; a segunda considerando o espectro de 1 a 100 Hz. Além dessas informações quantitativas, dados como o nível de consciência do paciente durante a realização do exame e a etiologia do coma foram considerados como variáveis de entradas, combinadas entre si, para gerar modelos prognósticos a partir de ferramentas de aprendizado de máquina. Destaca-se que os critérios habituais para elaboração desses modelos foram seguidos de maneira rigorosa ou seja, os dados foram segmentados em dados de treino e dados de teste, houve ainda validação cruzada com cinco pastas bem como a ferramenta de hold out executada cinco vezes. Isso resultou em diversas matrizes de confusão a partir das quais, calculou-se as principais medidas de desempenho vistas na literatura: acurácia, sensibilidade e especificidade. Foi calculada ainda a medida F-escore macro como diferencial, uma vez que não foi evidenciado na literatura nenhum estudo com essa medida. Os classificadores binários considerados na criação dos modelos foram regressão logística, máquina de vetor suporte e k-vizinhos mais próximos. Os resultados encontrados nesse estudo demonstram que o sinal eletroencefalográfico medido em pacientes comatosos tem potencial para ser utilizado como atributo de modelos prognósticos do coma. O melhor valor médio de acurácia aqui obtido foi igual a 0,80, diferenciando pacientes com desfecho de óbito clínico de pacientes em óbito por morte encefálica; sendo que, independentemente do grupamento considerado, a acurácia média foi de 0,68. Observou-se ainda que, em algumas situações, inserir análise dos ritmos gama e supergama provoca melhoria de desempenho dos modelos prognósticos, particularmente quando consideradas as classes ativo e óbito por morte encefálica.
Abstract: The electroencephalographic signal is relatively simple in terms of acquisition. Widely used in Intensive Care Units, the neurological monitoring of clinically comatose patients through this sign has been found in the international literature as a helpful exam to the prognosis of patients in coma. The latter can infer two outcomes for the patient according to the level of consciousness measured: good or bad. The poor outcome can be death from clinical causes or even related to brain death. Being able to distinguish the outcome of the comatose patient using tools of the electroencephalographic signal at frequencies from 1 to 100 Hz from mathematical models is the main objective of this study. EEG records of comatose patients were considered in this research and divided into three possible outcomes. In this context, the methodology of this study addresses quantitative calculations of the EEG signal of these patients, both in the time domain and in the frequency domain, taking into account for the latter two distinct ranges of analysis: the first considering the clinical signal, from 1 to 30 Hz; the second considering the spectrum from 1 to 100 Hz. In addition to this quantitative information, data such as the patient's level of consciousness during the examination and the etiology of the coma were considered as input variables, combined, to generate prognostic models from machine learning tools. We used the data segmented into training and test data. Also, we used cross-validation with five folds, as well as the hold out tool executed five times. Then, we obtained several confusion matrices and the main performance measures were calculated: accuracy, sensitivity, and specificity. The macro F-score measure was also calculated as a differential since no study with this measure was found in the literature. The binary classifiers considered in the creation of the models were logistic regression, support vector machine, and k-nearest neighbors. The results found in this study demonstrate that the electroencephalographic signal measured in comatose patients has the potential to be used as an attribute for prognostic models of coma. The best mean accuracy value obtained here was equal to 0.80, differentiating patients with clinical death outcomes from patients with death due to brain death; and, regardless of the data set considered, the mean accuracy was 0.68. It was also observed that, in some situations, inserting analysis of gamma and super gamma rhythms improves the performance of prognostic models, particularly when considering the active and death classes due to brain death.
Keywords: Eletroencefalografia
Quantificação
Processamento digital de sinais
Prognóstico do coma
Classificação
Aprendizado de máquina
Electroencephalography
Quantification
Digital signal processing
Prognosis of the coma
Classification
Machine learning
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA::BIOENGENHARIA::PROCESSAMENTO DE SINAIS BIOLOGICOS
Subject: Engenharia elétrica
Eletroencefalografia
Coma - Prognóstico
Aprendizado do computador
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Quote: RAMOS, Camila Davi. Aprendizado de máquina como ferramenta para o prognóstico de pacientes em coma usando sinais eletroencefalográficos no espectro de 1 a 100 Hz. 2022. 139 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.57.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.57
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/34045
Date of defense: 20-Jan-2022
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