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ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-9319-3371
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Proposta de sistema integrado para detecção de temperatura corporal e expressões faciais
Alternate title (s): Proposal for an integrated body temperature and facial expression detection system
Author: Jorge, Amanda Rosa Ferreira
First Advisor: Soares, Alcimar Barbosa
First coorientator: Cunha, Márcio José da
First member of the Committee: Almeida, Marcelo Barros de
Second member of the Committee: Faccioli, Rodrigo Antonio
Summary: As unidades de terapia intensiva ou centros de terapia intensiva são áreas hospitalares especializadas que fornecem tratamento específico e com monitoramento contínuo mediante a condição física dos pacientes internados. Os sinais vitais majoritariamente utilizados para monitoramento são o eletrocardiograma, a frequência cardíaca, a pressão arterial, a saturação de oxigênio no sangue e a temperatura corporal. Além de ter como causa o esgotamento físico do profissional intensivista, há a perda de informações aparentemente irrelevantes do paciente. Fato o qual gera atraso no diagnóstico e imprecisão na execução de intervenções médicas. Estudos apontam que a análise isolada dos sinais vitais não expõe o real estado fisiológico do paciente, defende-se que é necessário a implementação de um “sistema de sistemas” no qual a análise global de sinais agrupados aparentemente secundários pode ajudar a revelar importantes condições físicas ocultas. Por exemplo, a febre pode afetar até 75% dos pacientes da UTI, causando agitação e delírio. Também é verificado que mais de 50% dos pacientes internados apresentam relatos de dor moderada a severa durante a intubação em estado consciente e em repouso, podendo gerar aumento da carga de trabalho cardíaco. O ponto em que a agitação, ansiedade, dor, delírio e sedação possuem em comum são as potenciais expressões faciais do paciente. Assim, além de a temperatura corporal anormal ser caracterizada como febre, as expressões faciais dos pacientes em unidades de tratamento intensivo podem ser indícios da necessidade de intervenção médica. A literatura atual pouco avança sobre a monitoração da expressão facial e da temperatura corporal sem contato de pacientes em geral, mas com especial destaque para aqueles não-comunicativos. Ainda que eficientes, os modelos presentes no estado-da-arte sobre expressões faciais não são robustos, são projetados para aplicações em sistemas offline e possuem alto custo de treinamento do algoritmo. Diante disso, o presente estudo tem como objetivo principal desenvolver modelos para captura da temperatura corporal e para classificação de expressões faciais de forma automatizada e eficiente a partir da aquisição de dados por câmera RGB. O modelo de classificação de emoções é baseado na análise de distâncias entre pontos específicos da face. O modelo foi desenvolvido para classificação de sete emoções faciais: raiva, nojo, feliz, neutro, triste, supresa e medo. Para seleção de características utilizou-se a técnica de algoritmos genéticos e para classificação foram utilizandas máquinas de vetores de suporte. Os resultados demonstram que a técnica desenvolvida é capaz de realizar a classificação a partir de dados com acurácias médias acima de 80% para todas as classes, utilizando-se imagens dos bancos de dados WSEFEP, CK+ e JAFFE. As emoções surpresa, feliz e neutro apresentaram a melhor acurácia. Para predição de temperatura corporal sem contato, foram utilizadas images capturadas de câmera convencional, no espectro visível, em RGB. Modelos de regressão foram utilizados para estimar a temperatura corporal, tomando-se como base três pontos na face: bochechas, subclaviculares e testa. Os resultados mostram que a temperatura média estimada varia de acordo com a região (bochechas, subclaviculares e testa) com R² de 0,79 a 0,94. Os erros médios quadráticos se situam na faixa de 0,15-0,20 ºC. Conclui-se assim, que as técnicas desenvolvidas são capazes de predizer com bom grau de acurácia as emoções e a temperatura corporal dos sujeitos, sem contato, e podem ser integradas em um único sistema de monitoração por câmera RGB com foco em pacientes acamados e não-comunicativos.
Abstract: Intensive care units or intensive care centers are specialized hospital areas that provide specific treatment and continuous monitoring of the physical condition of hospitalized patients. The vital signs mostly used for monitoring are the electrocardiogram, heart rate, blood pressure, blood oxygen saturation and body temperature. In addition to being caused by the physical exhaustion of the intensivist professional, the loss of apparently irrelevant information from the patient generates delay in diagnosis and inaccuracy in the execution of medical interventions. Studies indicate that the isolated analysis of vital signs does not expose the patient's real physiological state, it is argued that it is necessary to implement a "system of systems" in which the global analysis groups apparently secondary signs that can help to reveal important hidden physical conditions . For example, fever can affect up to 75% of ICU patients, causing agitation and delirium. It is also verified that more than 50% of hospitalized patients present reports of moderate to severe pain during intubation in a conscious state and at rest, which may generate an increase in cardiac workload. The point at which agitation, anxiety, pain, delirium and sedation have in common is the patient's potential facial expressions. Thus, in addition to abnormal body temperature being characterized as fever, the facial expressions of patients in intensive care units may be indications of the need for medical intervention. The current literature makes little progress on the monitoring of facial expression and body temperature without contact of patients in general, but with special emphasis on non-communicative patients. Although efficient, the state-of-the-art models on facial expressions are not robust, are designed for applications in offline systems and have a high algorithm training cost. Therefore, the main objective of the present study is to develop models for capturing body temperature and for classifying facial expressions in an automated and efficient way from data acquisition by RGB camera. The emotion classification model is based on the analysis of distances between specific points on the face. The model was developed to classify seven facial emotions: anger, disgust, happy, neutral, sad, surprise and fear. For feature selection, the genetic algorithm technique was used and for classification, support vector machines were used. The results demonstrate that the developed technique is able to perform the classification from data with average accuracies above 80% for all classes, using images from the WSEFEP, CK+ and JAFFE databases. Surprise, happy and neutral emotions showed the best accuracy. For non-contact body temperature prediction, images captured from a conventional camera were used, in the visible spectrum, in RGB. Regression models were used to estimate body temperature, based on three points on the face: cheeks, subclavicle and forehead. The results show that the estimated average temperature varies according to the region (cheeks, subclavicular and forehead) with R² from 0.79 to 0.94. Mean squared errors are in the range of 0.15-0.20 ºC. It is thus concluded that the developed techniques are able to predict with a good degree of accuracy the emotions and body temperature of the subjects, without contact, and can be integrated into a single RGB camera monitoring system focusing on bedridden patients and non-communicative.
Keywords: Pacientes UTI
ICU patients
Temperatura corporal
Body temperature
Expressões faciais
Facial expressions
Sistema integrado
Integrated system
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA::BIOENGENHARIA::PROCESSAMENTO DE SINAIS BIOLOGICOS
Subject: Engenharia biomédica
Temperatura corporal
Controle de temperatura
Expressão facial
Pacientes hospitalizados
Unidade de tratamento intensivo
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Biomédica
Quote: JORGE, Amanda Rosa Ferreira. Proposta de sistema integrado para detecção de temperatura corporal e expressões faciais. 2023. 122 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Biomédica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.333.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.333
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/38781
Date of defense: 30-Jun-2023
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