Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/48556
ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-7823-3854
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Aprendizado de redes neurais profundas para diagnóstico molecular rápido e não invasivo de COVID-19 pela saliva
Alternate title (s): Deep Neural Network Learning for Rapid and Non-Invasive Molecular Diagnosis of COVID-19 from Saliva
Author: Santos Junior, Anisio Pereira dos
First Advisor: Carneiro, Murillo Guimarães
First coorientator: Silva, Robinson Sabino da
First member of the Committee: Silva, Robinson Sabino da
Second member of the Committee: Faria, Elaine Ribeiro de
Third member of the Committee: Petia, Georgieva
Summary: A pandemia de COVID-19 expôs limitações dos métodos de diagnóstico convencionais, como o RT-PCR, que, apesar de sua alta sensibilidade, são onerosos, demorados e logisticamente complexos. A espectroscopia vibracional surge como alternativa promissora, oferecendo análises rápidas, de baixo custo e sem reagentes. Contudo, a complexidade das alterações bioquímicas refletidas nos espectros Raman e de Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier com Reflectância Total Atenuada (ATR-FTIR) demanda métodos analíticos avançados, que superem as abordagens quimiométricas tradicionais na extração de padrões não lineares. Este trabalho desenvolve e avalia modelos baseados em aprendizado profundo, especificamente arquiteturas de Redes Neurais Convolucionais (CNN) e Redes Neurais Convolucionais integradas com Long Short-Term Memory (CNN-BiLSTM), aplicadas à análise de espectros de amostras biológicas não invasivas para detecção da COVID-19. As CNNs oferecem capacidade superior de extração de características espaciais locais dos espectros através de operações de convolução, enquanto as redes BiLSTM complementam essa análise capturando dependências temporais bidirecionais nos dados espectrais sequenciais, permitindo uma compreensão mais completa dos padrões espectrais complexos. Duas arquiteturas foram desenvolvidas: CNN-Spectra foi projetada para analisar espectros Raman de soro sanguíneo, alcançando acurácia de 96,8%; CNN-BiLSTM-Spectra foi desenvolvida para analisar espectros ATR-FTIR de saliva, atingindo acurácia média de 80% e superando modelos tradicionais e estado-da-arte. Os resultados confirmam a eficácia dos modelos propostos em extrair características relevantes de dados espectrais complexos, melhorando a classificação entre amostras positivas e negativas para COVID-19. Conclui-se que a integração de aprendizado profundo com espectroscopia vibracional é uma abordagem promissora para o diagnóstico biomédico, contribuindo para métodos de detecção mais rápidos, precisos e sustentáveis.
Abstract: The COVID-19 pandemic exposed limitations of conventional diagnostic methods, such as RT-PCR, which, despite their high sensitivity, are costly, time-consuming, and logistically complex. Vibrational spectroscopy emerges as a promising alternative, offering rapid, low-cost, and reagent-free analyses. However, the complexity of biochemical changes reflected in Raman and ATR-FTIR spectra demands advanced analytical methods that surpass traditional chemometric approaches in extracting nonlinear patterns. This work develops and evaluates models based on deep learning, specifically Convolutional Neural Network (CNN) architectures and Convolutional Neural Networks integrated with Long Short-Term Memory (CNN-BiLSTM), applied to the analysis of non-invasive biological sample spectra for COVID-19 detection. CNNs offer superior capability for extracting local spatial features from spectra through convolution operations, while BiLSTM networks complement this analysis by capturing bidirectional temporal dependencies in sequential spectral data, enabling a more comprehensive understanding of complex spectral patterns. Two architectures were developed: CNN-Spectra was designed to analyze Raman spectra from blood serum, achieving 96.8% accuracy; CNN-BiLSTM-Spectra was developed to analyze ATR-FTIR spectra from saliva, reaching an average accuracy of 80% and outperforming traditional and state-of-the-art models. The results confirm the effectiveness of the proposed models in extracting relevant features from complex spectral data, improving classification between positive and negative COVID-19 samples. It is concluded that the integration of deep learning with vibrational spectroscopy is a promising approach for biomedical diagnosis, contributing to faster, more accurate, and sustainable detection methods.
Keywords: Aprendizado Profundo
Espectroscopia Vibracional
ATR-FTIR
Raman
CNN
LSTM
Diagnóstico Biomédico
COVID-19
Deep Learning
Vibrational Spectroscopy
Biomedical Diagnosis
Computação
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::METODOLOGIA E TECNICAS DA COMPUTACAO
Subject: Computação
Redes neurais (Computação)
COVID-19 (Doença) - Diagnóstico
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Ciência da Computação
Quote: SANTOS JUNIOR, Anisio Pereira dos. Aprendizado de redes neurais profundas para diagnóstico molecular rápido e não invasivo de COVID-19 pela saliva. 2026. 108 f. Dissertação (Mestrado em Ciência da Computação) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.5223.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.5223
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/48556
Date of defense: 22-Sep-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.
ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.
Appears in Collections:DISSERTAÇÃO - Ciência da Computação

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