Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/46780
ORCID:  http://orcid.org/0009-0000-9801-7086
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Machine learning applied for the motor pattern classification of pen-and-paper spiral drawings in Parkinson’s disease
Alternate title (s): Aprendizado de máquina aplicado à classificação de padrões motores de desenhos em espiral feitos à mão em pacientes com doença de Parkinson
Author: Milken, Pedro Henrique Bernardes Caetano
First Advisor: Andrade, Adriano de Oliveira
First coorientator: Nóbrega, Lígia Reis
First member of the Committee: Mendes, Luanne Cardoso
Second member of the Committee: Delis, Alberto López
Summary: A doença de Parkinson (DP) é um distúrbio neurodegenerativo progressivo caracterizado por comprometimento do controle motor voluntário, manifestando-se mais comumente como tremores, bradicinesia e rigidez muscular. Apesar dos avanços significativos na compreensão da DP, a avaliação clínica continua sendo o principal método para diagnóstico e monitoramento da doença, muitas vezes dependendo de avaliações subjetivas. A análise de espirais surgiu como uma técnica promissora, de baixo custo e não invasiva para a quantificação objetiva dos sintomas motores através do estudo de espirais desenhadas à mão. Ao contrário de estudos anteriores que utilizaram tablets de digitalização e canetas digitais, a presente pesquisa investiga a viabilidade do uso de espirais tradicionais em papel e caneta em um ambiente clínico. Este estudo tem como objetivo desenvolver ferramentas objetivas para auxiliar os profissionais de saúde na tomada de decisões clínicas. Faz parte de um projeto mais amplo chamado PARKINSON BRASIL, que busca desenvolver um banco de dados nacional abrangente contendo aspectos multidimensionais de indivíduos com doença de Parkinson. Quatro arquiteturas de deep learning—VGG16, ResNet50, MobileNetV2 e Xception—foram empregadas para a extração de características, seguidas pela classificação usando códigos de saída de correção de erro (ECOC). Os participantes foram classificados em grupos de PD ou controle, e os participantes com PD foram ainda categorizados em estágios da doença de acordo com a escala de Hoehn e Yahr. O desempenho do modelo foi avaliado usando métricas padrão, incluindo precisão e F1-score. Xception obteve o melhor desempenho geral. ResNet50 e VGG16 também demonstraram alta precisão em seu desempenho. Os resultados demonstram que a análise de espiral em papel e caneta, quando integrada com técnicas de aprendizado de máquina, possui um potencial significativo como uma ferramenta complementar para o diagnóstico e monitoramento da doença de Parkinson em ambientes clínicos.
Abstract: Parkinson’s disease (PD) is a progressive neurodegenerative disorder characterized by impaired voluntary motor control, most commonly manifesting as tremors, bradykinesia, and muscle rigidity. Despite significant advancements in the understanding of PD, clinical evaluation remains the primary method for diagnosis and disease monitoring, often relying on subjective assessments. Spiral analysis has emerged as a promising, low-cost, and noninvasive technique for the objective quantification of motor symptoms through the study of hand-drawn spirals. Unlike previous studies that utilized digitizing tablets and digital pens, the present research investigates the feasibility of using traditional pen-and-paper spirals in a clinical setting. This study aims to develop objective tools to assist healthcare professionals in clinical decision-making. It is part of a broader project called PARKINSON BRASIL, which seeks to develop a comprehensive national database containing multidimensional aspects of individuals with Parkinson’s disease. Four deep learning architectures— VGG16, ResNet50, MobileNetV2, and Xception—were employed for feature extraction, followed by classification using error-correcting output codes (ECOC). Participants were classified into either PD or control groups, and PD participants were further categorized into disease stages according to the Hoehn and Yahr scale. Model performance was evaluated using standard metrics, including accuracy and F1-score. Xception achieved the best overall performance. ResNet50 and VGG16 also demonstrated high precision in their performance.The findings demonstrate that pen-and-paper spiral analysis, when integrated with machine learning techniques, holds significant potential as a complementary tool for the diagnosis and monitoring of Parkinson’s disease in clinical environments.
Keywords: Parkinson’s disease
Deep Learning
Spiral Analysis
Convolutional Neural Network
Machine learning
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA::BIOENGENHARIA::PROCESSAMENTO DE SINAIS BIOLOGICOS
Subject: Engenharia biomédica
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Biomédica
Quote: MILKEN, Pedro Henrique Bernardes Caetano. Machine learning applied for the motor pattern classification of pen-and-paper spiral drawings in Parkinson’s disease. 2025. 64 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.488.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.488
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/46780
Date of defense: 8-Aug-2025
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:DISSERTAÇÃO - Engenharia Biomédica

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