Aprendizagem de máquina aplicada à execução da marcha em diabéticos tipo 2

dc.contributor.advisorCavalcanti, Fabricia Azevedo da Costa
dc.contributor.advisorIDhttps://orcid.org/0000-0002-1391-1060pt_BR
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/9579107830132166pt_BR
dc.contributor.authorSilva, Patrícia Mayara Moura da
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0002-4055-3289pt_BR
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/2333299768687540pt_BR
dc.contributor.referees1Rodrigues Neto, Abner Cardoso
dc.contributor.referees2Vieira, Edgar Ramos
dc.contributor.referees3Dantas, Rummenigge Rudson
dc.contributor.referees3Latteshttp://lattes.cnpq.br/1868960602254610pt_BR
dc.contributor.referees4Ribeiro, Tatiana Souza
dc.date.accessioned2023-06-21T21:03:42Z
dc.date.available2023-06-21T21:03:42Z
dc.date.issued2023-03-10
dc.description.abstractIntroduction: Diabetes is characterized by a set of metabolic diseases that can cause several changes. One of them occurs in the sensorimotor function, which generates changes in gait execution, such as longer stance phase, shorter steps and inadequate plantar pressure distribution. Quantitative methods for assessing changes in gait patterns can be decisive in designing treatment strategies. Also, they can help in preventing complications caused by diabetes. With advances in machine learning (ML) techniques, automated pattern recognition in the face of massive amounts of data has become an essential tool in the medical field due to its ability to predict clinical complications before the disease gets worse. Objectives: To investigate ML models on gait assessment data from type 2 diabetic patients in order to identify gait patterns that may predict clinical complications of diabetes. Methods: The study involved two methodological phases: 1) Protocol and Systematic Review elaboration; 2) Development and improvement of predictive models of unsupervised and supervised BF for exploratory data analysis, detection of diabetes and detection of clinical complications in diabetes based on glycated hemoglobin (HbA1c) levels. The data for carrying out the study was provided through a partnership with Florida International University (FIU) during a sandwich doctorate (Edital No. 02/2020 – CAPES/PRINT) between September 2021 and June 2022. The data were pre-processed and implemented in different ML models. The ML models used were evaluated for their efficiency based on the silhouette analysis for unsupervised ML, metrics based on the confusion matrix for supervised ML, and conventional statistics, adopting a significance level of 5%. Results: Phase 1 resulted in two articles: Article 1 - The published protocol defined the methodology that guided the review; Article 2 - The systematic review, under consideration, resulted in four studies (208 participants) included. Two used ML as a predictive method, one used conventional statistics based on multiple stepwise regression, and one used the Fuzzy classifier, an uncertainty method. Studies achieved at least 75% in adequately reporting 19 Transparent Reporting of a multivariable prediction model for Individual Prognosis or Diagnosis (TRIPOD) items. Three of the included studies were classified as high risk of bias. Phase 2 resulted in three articles in the submission process: Article 3 – K-Means separated the data set into two groups (silhouette = 0.47). Gait speed, step length and plantar pressure distribution patterns were statistically different (p < 0.05) between diabetics and non-diabetics. Among diabetics, there was a statistically significant difference (p < 0.05) in plantar pressure distribution patterns. Article 4 – Supervised ML algorithms using gait data showed high sensitivity in the distribution of plantar pressure in the heel region to classify diabetics from non-diabetics. Article 5 – The XGB classifier showed better results in classifying diabetes complications based on HbA1c levels, reaching an AUC of 0.99, a precision of 0.91, a recall of 0.90 and an f1-score of 0.89. For this classification, the most relevant gait characteristics were left support base, mean left pressure over time in the metatarsal region (I-III) and mean active sensor area in the phalanges (III-IV). Conclusion: The literature shows few studies using gait data as predictors of diabetes. Type 2 diabetics presented changes in gait performance, with differences in plantar pressure distribution in individuals with higher glycemic levels. Different regions of plantar pressure distribution were relevant in the classification of diabetics or non-diabetics and in detecting complications in diabetes. These findings have been supported in the literature.pt_BR
dc.description.resumoIntrodução: A diabetes caracteriza-se por um conjunto de doenças metabólicas que podem causar diversas alterações. Uma delas ocorre na função sensório-motora que gera modificações na execução da marcha, como: fase de apoio mais longa, passos mais curtos e inadequada distribuição da pressão plantar. Métodos quantitativos de avaliação das alterações do padrão de marcha podem ser decisivos para traçar estratégias de tratamento. Além disso, eles podem ajudar na prevenção de complicações causadas pela diabetes. Com os avanços das técnicas de aprendizagem de máquina (AM), o reconhecimento automatizado de padrões diante da enorme quantidade de dados vem se tornando uma ferramenta essencial na área médica devido à capacidade de prever complicações clínicas antes que a doença se agrave. Objetivos: investigar modelos de AM sobre dados de avaliação da marcha de pacientes diabéticos, tipo 2, a fim de identificar os padrões de execução de marcha que possam prever complicações clínicas da diabetes. Métodos: O estudo envolveu duas etapas metodológicas: 1) Elaboração de protocolo e Revisão Sistemática; 2) Desenvolvimento e aprimoramento de modelos preditivos de AM não supervisionada e supervisionada para análise exploratória de dados, detecção da diabetes e detecção de complicações clínicas na diabetes baseadas nos níveis de hemoglobina glicada (HbA1c). Os dados para execução do estudo foram fornecidos mediante parceria com a Florida International University (FIU) durante doutorado sanduíche (Edital No. 02/2020 – CAPES/PRINT) entre setembro de 2021 e junho de 2022. Os dados foram pré-processados e implementados em diferentes modelos de AM. Os modelos de AM utilizados foram avaliados quanto a sua eficiência baseando-se na análise de silhouette para AM não supervisionada, métricas de AM supervisionada baseadas na matriz de confusão e estatística convencional adotando-se o nível de significância de 5%. Resultados: Etapa 1 resultou em dois artigos: Artigo 1 - O protocolo já publicado definiu a metodologia a ser seguida na revisão; Artigo 2 - A revisão sistemática, em apreciação, resultou em quatro estudos (208 participantes) incluídos. Dois usaram AM como método preditivo, um utilizou estatística convencional baseada em regressão múltipla stepwise e um o classificador Fuzzy que é um método de incerteza. Os estudos atingiram pelo menos 75% em reportar adequadamente 19 itens do Transparent Reporting of a multivariable prediction model for Individual Prognosis or Diagnosis (TRIPOD). Três dos estudos incluídos foram classificados como alto risco de viés. Etapa 2 resultou em três artigos, em processo de submissão: Artigo 3 – K-Médias separou o conjunto de dados em dois grupos (silhouette = 0,47). Os padrões de velocidade, comprimento do passo e distribuição de pressão plantar da marcha foram estatisticamente diferentes (p < 0,05) entre diabéticos e não diabéticos. Além disso, entre os diabéticos, observou-se uma diferença de estatística significativa (p < 0,05) nos padrões de distribuição de pressão plantar. Artigo 4 – Algoritmos de AM supervisionada usando dados de marcha mostraram alta sensibilidade na distribuição da pressão plantar na região do calcanhar para classificar diabéticos de não diabéticos. Artigo 5 – O classificador XGB apresentou melhores resultados para classificar complicações na diabetes baseados no nível de HbA1c, alcançando AUC de 0,99, precisão de 0,91, recall de 0,90 e f1-score de 0,89. As características da marcha mais relevantes para essa classificação foram base de apoio esquerda, pressão esquerda média ao longo do tempo na região dos metatarsos (I-III) e média da área do sensor ativo nas falanges (III-IV). Conclusão: A literatura mostra poucos estudos sobre o uso de dados de marcha como preditores da diabetes. Diabéticos tipo 2 apresentam alterações alterações execução da marcha, com diferenças na distribuição da pressão plantar dos indivíduos com maiores níveis glicêmicos. Regiões diferentes de distribuição da pressão plantar foram relevantes na classificação de diabéticos ou não diabéticos e na detecção de complicações na diabetes. Ambos achados são respaldados na literatura.pt_BR
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESpt_BR
dc.identifier.citationSILVA, Patrícia Mayara Moura da. Aprendizagem de máquina aplicada à execução da marcha em diabéticos tipo 2. Orientador: Fabrícia Azevêdo da Costa Cavalcanti. 2023. 168f. Tese (Doutorado em Fisioterapia) - Centro de Ciências da Saúde, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2023.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/52826
dc.languagept_BRpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Nortept_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FISIOTERAPIApt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectDiabetes Mellituspt_BR
dc.subjectMarchapt_BR
dc.subjectAprendizagem de máquinapt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::CIENCIAS DA SAUDE::FISIOTERAPIA E TERAPIA OCUPACIONALpt_BR
dc.titleAprendizagem de máquina aplicada à execução da marcha em diabéticos tipo 2pt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR

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