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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/47859| Document type: | Dissertação |
| Access type: | Acesso Aberto |
| Title: | DeepLabCut Applied to the assessment of spiral and sinusoidal patterns in individuals with Parkinson's disease |
| Alternate title (s): | DeepLabCut aplicado à avaliação de padrões espirais e sinusoidais em indivíduos com doença de Parkinson |
| Author: | Nardo, José Renato Munari |
| First Advisor: | Andrade, Adriano de Oliveira |
| First member of the Committee: | Mendes, Luanne Cardoso |
| Second member of the Committee: | Amorim, Cesar Ferreira |
| Summary: | A doença de Parkinson (DP) é um distúrbio neurodegenerativo que afeta funções mo- toras e não motoras. É causada pela deficiência de dopamina no cérebro, particularmente na substantia nigra. Essa deficiência leva a sintomas como bradicinesia, tremores e rigidez, além de sintomas não motores, como perda de memória, ansiedade e depressão. Um dos principais desafios no diagnóstico da DP é a ausência de um método diagnóstico preciso, objetivo e em estágio precoce. Os métodos atualmente disponíveis são, em sua maio- ria, subjetivos e caros, e exames de imagem, como a ressonância magnética, geralmente só apresentam alterações em estágios mais avançados da doença. Este estudo propõe um protocolo de baixo custo e fácil replicação, apoiado por algoritmos de aprendizado de máquina (ML), com o objetivo de auxiliar no diagnóstico da DP. O método con- siste na realização de tarefas gráficas (espirais e ondas senoidais) gravadas por vídeo com smartphone. As gravações foram processadas com o uso do DeepLabCut (ferramenta de deeplearning para treinar uma rede neural específica) para extração de dados posicionais, que foram posteriormente analisados por meio da biblioteca PyCaret, utilizando difer- entes algoritmos de ML para a classificação dos indivíduos. Foram realizados diversos testes variando o número de pastas e combinando técnicas de seleção de atributos (FS) e função de otimização de hiperparâmetros (TF). O protocolo desenvolvido foi capaz de avaliar sinais motores relevantes para o diagnóstico da DP de forma simples e acessível. O DeepLabCut, quando treinado, alcançou uma média de precisão de 99%, apresentando dificuldades apenas em movimentos abruptos, devido ao desfoque de imagem decorrente de movimento. Os 14 algoritmos de ML treinados apresentaram bom desempenho, com os melhores resultados obtidos nos testes com 3, 7 e 9 pastas, sendo o de 7 pastas o mais equilibrado. Os três melhores classificadores — Extra Trees (ET), K-Nearest Neighbors (KNN) e Gradient Boosting Classifier (GBC) — atingiram taxas de acurácia superiores a 90%. As técnicas de FS e TF geralmente contribuíram para a melhora do desempenho, embora alguns cenários apresentassem compensações entre os parâmetros. Os modelos ET e GBC apresentaram sobreajuste devido ao tamanho reduzido do conjunto de dados, enquanto o KNN, embora com desempenho ligeiramente inferior, foi o mais equilibrado dos três. Em suma, o estudo apresenta uma abordagem promissora, de baixo custo e re- produtível, para auxiliar o diagnóstico da doença de Parkinson com o uso de ferramentas simples e técnicas de ML low-code (plataformas de baixo código). |
| Abstract: | Parkinson’s disease (PD) is a neurodegenerative disorder that affects both motor and non-motor functions. It is caused by dopamine deficiency in the brain, particularly in the substantia nigra. This shortage leads to symptoms such as bradykinesia, tremor, and rigidity, as well as non-motor symptoms like memory loss, anxiety, and depression. One of the major challenges in diagnosing PD is the lack of a precise, objective, and early-stage diagnostic method. Most current diagnostic techniques are subjective and expensive, and imaging methods such as magnetic resonance imaging only become informative at later disease stages. This study proposes a low-cost and replicable protocol supported by Machine Learning (ML) to aid in the diagnosis of PD. The method involves drawing tasks (spirals and sinusoidal waves) recorded via smartphone video. These recordings were processed using DeepLabCut (DLC) (Deep learning tool to train a specific neural network to extract positional data), which was then analyzed using PyCaret to classify individuals with different ML algorithms. Multiple tests were conducted, varying the number of folds and combining feature selection (FS) and tune function (TF) techniques. The protocol successfully simulated symptoms relevant to PD diagnosis in a simple, accessible format. DeepLabCut, when trained, achieved an average detection precision of 99%, struggling only with abrupt movements due to motion blur. The ML models performed well, with the best results occurring in 3, 7, and 9-fold trials. The 7-fold setup was found to be the most balanced. The top three classifiers — Extra Trees, Gradient Boosting Classifier, and K-Nearest Neighbors — each achieved accuracy rates above 90%. FS and tf generally improved model performance, although some trade-offs were observed. Extra Trees and Gradient Boosting Classifier experienced overfitting due to the small dataset, whereas K Nearest Neighbors, despite having slightly lower performance, remained more balanced. Overall, the study presents a promising, low-cost, and reproducible approach to assist PD diagnosis using simple tools and low-code ML pipelines. |
| Keywords: | Parkinson's disease doença de Parkinson machine learning aprendizado de máquina DeepLabCut DeepLabCut computer vision visão computacional classification algorithms algoritimos de classificação |
| Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA |
| Subject: | Engenharia biomédica Biomecânica Parkinson, Doença de Algorítmos computacionais |
| Language: | eng |
| Country: | Brasil |
| Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
| Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Biomédica |
| Quote: | NARDO, José Renato Munari. DeepLabCut applied to the assessment of spiral and sinusoidal patterns in individuals with Parkinson's disease. 2025. 99 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia biomédica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.644. |
| Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.644 |
| URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/47859 |
| Date of defense: | 7-Nov-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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