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ORCID:  http://orcid.org/0000-0003-1562-9349
Document type: Tese
Access type: Acesso Embargado
Embargo Date: 2026-09-30
Title: Plataforma portátil de bioensaio eletroquímico para rastreamento de hepatite delta baseada em aprendizagem de máquina e nuvem
Alternate title (s): Electrochemical bioassay platform for delta hepatitis screening based on machine learning and cloud
Author: Souza, Pedro Victor Eugênio de
First Advisor: Silva, Robinson Sabino da
First coorientator: Moreira, Cleumar da Silva
Second coorientator: Goulart Filho, Luiz Ricardo
First member of the Committee: Araújo, Lincoln Machado de
Second member of the Committee: Nossol, Arlene Bispo dos Santos
Third member of the Committee: Oliveira, Thiago da Costa
Fourth member of the Committee: Vitor, Ulysses Roberto Chaves
Summary: Introdução: Biossensores eletroquímicos são altamente eficazes na detecção de uma ampla gama de analitos em diversos biofluidos. No entanto, os sistemas de potenciostato de bancada tradicionais costumam ser caros e carecem de integração completa. Esta pesquisa concentra-se no desenvolvimento de uma plataforma eletroquímica inovadora e totalmente integrada, que apresenta um potenciostato portátil e econômico. O dispositivo é projetado para analisar dois eletrodos simultaneamente em tempo real, através de cinco análises eletroquímicas distintas, e inclui interfaces de comunicação como USB, Bluetooth e Wi-Fi. Essas capacidades permitem uma interação com computadores, dispositivos móveis e ambientes em nuvem, facilitando a aplicação de algoritmos de Inteligência Artificial para análise de dados eletroquímicos e classificação de amostras. Materiais e Métodos: A plataforma, denominada Bioconnect, foi avaliada em comparação com o potenciostato de bancada EMSTAT3+ Blue da PalmSens. A validação utilizou Voltametria Cíclica em uma solução de [K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6] com eletrodos modificados com Rodamina 6G e Nanotubos de Carbono, bem como eletrodos não modificados. Além disso, foi explorada a integração do Bioconnect com uma aplicação de aprendizado de máquina baseada em AWS para a detecção da hepatite delta, uma forma severa de hepatite que é tradicionalmente diagnosticada através de métodos de quimiluminescência e RT-PCR. O biossensor foi testado em soro de 40 indivíduos (20 positivos e 20 negativos para hepatite delta). Resultados: A análise comparativa de desempenho, baseada nas medições dos picos de corrente anódica e catódica, revelou que o Bioconnect obteve desvios-padrão menores do que o EMSTAT3+ Blue, indicando maior precisão nas medições. Para a distinção da hepatite delta, a análise de Regressão Logística obteve uma especificidade de 89.5% e uma sensibilidade de 85.7%, enquanto o algoritmo de aprendizado de máquina alcançou uma especificidade de 80% e uma sensibilidade de 100%. Esses resultados destacam o potencial do Bioconnect como uma ferramenta precisa e integrada para análise eletroquímica avançada e detecção de doenças. Conclusão: Os resultados confirmam a eficácia da plataforma, não apenas para aplicações biológicas, mas também para outras aplicações. A comparação mostra que o hardware da plataforma fornece medições mais precisas, e sua capacidade de distinguir entre sujeitos normais e positivos para hepatite delta comprova sua aplicabilidade como dispositivo de Point of Care. Além disso, a incorporação de algoritmos de aprendizado de máquina prova ser uma melhoria valiosa para análises eletroquímicas.
Abstract: Introduction: Electrochemical biosensors are proficient in detecting a wide range of analytes within various biofluids. Traditional benchtop potentiostat systems, however, are often costly and lack full integration. This research focuses on the development of a novel, fully integrated electrochemical platform that features a portable and cost-effective potentiostat. This device is designed to simultaneously analyze two electrodes in real time across five distinct electrochemical analyses, and includes communication interfaces such as USB, Bluetooth, and Wi-Fi. Such capabilities enable seamless interaction with computers, mobile devices, and cloud-based environments, facilitating the application of Artificial Intelligence algorithms via AWS cloud for electrochemical data analysis and sample classification. Materials and Methods: The platform, named Bioconnect, was validated against the benchtop potentiostat EMSTAT3+ Blue from PalmSens. The validation involved Cyclic Voltammetry using a [K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6] solution with both Rhodamine 6G and Carbon Nanotube-modified electrodes, as well as non-modified electrodes. Furthermore, Bioconnect's integration with an AWS-based machine learning application was explored for the detection of hepatitis delta, a severe form of hepatitis traditionally diagnosed through chemiluminescence and RT-PCR methods. The biosensor was evaluated using a cohort of 40 subjects (20 positive and 20 negative) for hepatitis delta. Results: The performance comparison, based on the anodic and cathodic current peak measurements, demonstrated that Bioconnect achieved smaller standard deviations compared to the EMSTAT3+ Blue, indicating superior precision in measurements. With respect to distinguishing hepatitis delta using a Univariate Logistic Regression analysis yielded a specificity of 89.5% and a sensitivity of 85.7%, while a machine learning algorithm achieved a specificity of 80% and a sensitivity of 100%. This underscores the potential of Bioconnect as a precise, integrated tool for advanced electrochemical analysis and disease detection. Conclusion: Results confirm the efficacy of the platform and using it not only biological applications, but also for other types of applications. The comparison shows that the platform hardware has more precise measurements, and its use to distinguish normal subjects from those who are positive for hepatitis delta proves its applicability to be used as a Point of Care device. Besides that, the use of machine learning algorithms also proved a valuable tool to enhance electrochemical analysis.
Keywords: Biossensores Eletroquímicos
Potenciostato Portátil
Análise Eletroquímica
Aprendizado de Máquina
Detecção de Hepatite Delta
Electrochemical Biosensors
Portable Potentiostat
Electrochemical Analysis
Machine Learning
Delta Hepatitis Detection
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA::ENGENHARIA MEDICA::TRANSDUTORES PARA APLICACOES BIOMEDICAS
Subject: Ciências Médicas
Algorítmos computacionais
Inteligência artificial - Aplicações médicas
Infecção delta
Hepatite
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Ciências da Saúde
Quote: SOUZA, Pedro Victor Eugênio de. Plataforma portátil de bioensaio eletroquímico para rastreamento de hepatite delta baseada em aprendizagem de máquina e nuvem. 2024. 97 f. Tese (Doutorado em Ciências Médicas) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.5052
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.5052
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/44058
Date of defense: 30-Sep-2024
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 3. Saúde e bem-estar - Assegurar uma vida saudável e promover o bem-estar para todos, em todas as idades.
Appears in Collections:TESE - Ciências da Saúde

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