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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-9334-1052
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acceso: Acesso Embargado
Fecha de embargo: 2027-02-25
Título: Redes complexas para classificação de alto nível de assinaturas vibracionais moleculares
Título (s) alternativo (s): Complex networks for high-level classification of molecular vibrational signatures
Autor: Mundim Filho, Anagê Calixto
Primer orientador: Carneiro, Murillo Guimarães
Primer miembro de la banca: Garcia, Luís Paulo Faina
Segundo miembro de la banca: Travençolo, Bruno Augusto Nassif
Resumen: A espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier por Refletância Total Atenuada (ATR-FTIR) tem se destacado como uma técnica promissora para diagnósticos rápidos, precisos e não invasivos de diversas condições patológicas. No entanto, a análise de seus dados espectrais ainda enfrenta desafios significativos devido à alta complexidade, dimensionalidade e sobreposição de grupos alvo e controle em aplicações reais, o que dificulta a distinção entre diferentes condições clínicas. Métodos tradicionais de classificação e até mesmo modelos de aprendizado profundo têm se mostrado limitados diante dessas dificuldades. Neste contexto, apresentamos o ATLA (ATR-FTIR Topological Learning Analysis), uma técnica inovadora de classificação espectral que integra informações topológicas, estruturais e físicas dos dados. Nosso método combina as avançadas capacidades topológicas das medidas de Redes Complexas com algoritmos de classificação tradicionais (Máquinas de Vetores de Suporte e Análise Discriminante Linear) e de aprendizado profundo moderno (Redes Neurais Convolucionais-BiLSTM). A eficácia do ATLA foi avaliada em bases de dados reais de espectros ATR-FTIR para detecção de pacientes com COVID-19, Hepatite Delta B e D e Doença de Chagas, todas com características espectrais desafiadoras. Os resultados mostraram que o ATLA contribuí na melhoria de desempenho preditivo dos modelos de aprendizado de máquina em termos de métricas como acurácia, precisão, sensibilidade, especificidade e F1-score. Além disso, o ATLA também pode oferecer maior interpretabilidade ao destacar as bandas e atributos topológicos mais relevantes para a classificação através de explicações SHAP (SHapley Additive exPlanations). Em síntese, a técnica ATLA se coloca como uma abordagem promissora e eficaz para elevar o diagnóstico espectral a um novo patamar de precisão e interpretabilidade.
Abstract: Attenuated Total Reflectance Fourier Transform Infrared (ATR-FTIR) spectroscopy is a promising technique for rapid and non-invasive diagnostics, yet its clinical application is often constrained by significant analytical challenges. The high dimensionality, complexity, and spectral overlap inherent in real-world data make it difficult to distinguish between different pathological conditions, a task where both conventional classifiers and deep learning models have shown limitations. To address these challenges, we propose ATLA (ATR-FTIR Topological Learning Analysis), a novel framework that integrates topological, structural, and physical information for enhanced spectral classification. Our methodology leverages the feature extraction capabilities of Complex Networks in synergy with traditional classifiers (Support Vector Machines and Linear Discriminant Analysis) and a state-of-the-art deep learning architecture (Convolutional Neural Network-BiLSTM). We assessed ATLA's performance on challenging real-world ATR-FTIR datasets for the diagnosis of COVID-19, Hepatitis B and D, and Chagas Disease. Our findings indicate that ATLA significantly improves predictive outcomes across key metrics, including accuracy, precision, sensitivity, specificity, and F1-score. Beyond predictive power, ATLA also enhances model interpretability by using SHAP (SHapley Additive exPlanations) to highlight the most relevant spectral bands and topological features driving the classification. Ultimately, ATLA emerges as a robust and effective approach, poised to elevate spectral diagnostics to a new level of accuracy and interpretability.
Palabras clave: Classificação Híbrida
Hybrid Classification
Redes Complexas
Complex Networks
Aprendizado Profundo
Deep Learning
Aprendizado de Máquina
Machine Learning
Classificação de dados
Data Classification
Espectroscopia ATR-FTIR
ATR-FTIR Spectroscopy
Diagnóstico Biomédico
Biomedical Diagnosis
Interpretabilidade
Interpretability
SHAP
SHAP
Área (s) del CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Tema: Computação
Inteligência artificial
Algorítmos computacionais
Idioma: por
País: Brasil
Editora: Universidade Federal de Uberlândia
Programa: Programa de Pós-graduação em Ciência da Computação
Cita: MUNDIM FILHO, Anagê Calixto. Redes complexas para classificação de alto nível de assinaturas vibracionais moleculares. 2025. 99 f. Dissertação (Mestrado em Ciência da Computação) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.599.
Identificador del documento: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.599
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/48491
Fecha de defensa: 25-sep-2025
Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS): ODS::ODS 3. Saúde e bem-estar - Assegurar uma vida saudável e promover o bem-estar para todos, em todas as idades.
Aparece en las colecciones:DISSERTAÇÃO - Ciência da Computação

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