Aprendizagem de máquina aplicada a análise do movimento de membro superior de pessoas com esclerose lateral amiotrófica

dc.contributor.advisorLindquist, Ana Raquel Rodrigues
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/6535678775361874pt_BR
dc.contributor.authorHolanda, Ledycnarf Januário de
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0002-9526-0002pt_BR
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/5239750121489363pt_BR
dc.contributor.referees1Ribeiro, Tatiana Souza
dc.contributor.referees1IDhttps://orcid.org/0000-0002-9611-1076pt_BR
dc.contributor.referees1Latteshttp://lattes.cnpq.br/6868962363056590pt_BR
dc.contributor.referees2Rodríguez, Denis Delisle
dc.contributor.referees3Martins, Emerson Fachin
dc.contributor.referees4Andrade, Suellen Mary Marinho dos Santos
dc.date.accessioned2023-07-17T23:26:53Z
dc.date.issued2023-02-14
dc.description.abstractAmyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) leads to gradually progressive motor limitations, which appear differently in each patient, such as impairments related to the upper limb (UL), in particular, strongly impacting the performance of activities of daily living and functional independence. Technological development has enabled the use of surface electromyography (EMGs) and the accelerometer (ACC) as additional tools for analyzing of motor function, thereby improving the existing assessment tools. These can still be enhanced with the association of machine learning (ML) algorithms that make them more accurate and precise for evaluation and can contribute to the improvement of assistive technology (AT) resources, such as orthoses. From this perspective, we aimed to implement and compare the ML algorithms on sEMG and ACC data to assess the UL motor function of people with ALS. The findings of this research were divided into four articles, as described below. The findings of this research were divided into four articles: article 1 consists of a scoping review whose objective was to describe the characteristics of UL orthoses controlled by ML algorithms, based on information extracted from articles and patents; and assess the risk of bias (PROBAST) of the articles. 16 articles and 4 patents were inserted. In this review, we identified that the ML-based orthoses have different physical and control characteristics with divergence in the usability tests performed. Linear regression models and sEMG are the most common control approaches and the risk of bias is classified as “unclear” and “high”. Articles 2 to 4 deal with the analysis of the UL movement, based on sEMG and ACC data collected during the execution of a cross-sectional study approved by the Ethics Committee of the UFRN Central Campus (CAAE: 25687819.3.0000.5537). Ten healthy people and 7 with ALS were evaluated using a standardized assessment form and validated assessment instruments to analyze the health condition of people with ALS and/or other neurological and/or musculoskeletal disorders. sEMG and ACC data were analyzed to identify the degree of stationarity, using mean, variance, and Kwiatkowski–Phillips–Schmidt–Shin (KPSS) test; linearity, by calculating the standard deviation, Brock, Dechert & Scheinkman test (BDS) and nonlinear autoregressive exogenous test (NLARX); gaussianity from the skewness and kurtosis tests; and sparsity through the gini index. sEMG data were classified as non-linear (BDS test – significance level = 1 and detection ratio = 2.4; NLARX test – rejection decision = 1 and rejection ratio = 1.5), stationary (KPSS test - rejection decision = 0 and p-value = .1), non-normal (skewness test - s = -0.77; kurtosis test - h = 3.14) and sparse (g = 83). However, the ACC data were categorized as non-linear (BDS test – significance level = 1 and detection ratio = 29.21; NLARX test – rejection decision = 1 and detection ratio = 1.59), non-stationary (KPSS test - rejection decision = 1 and p-value = .01), non-normal (skewness test - s = -0.81; kurtosis test - h = 3.17) and sparse (g = 93). However, statistical differences were revealed only regarding the degree of linearity and stationarity of the sEMG and ACC data when comparing healthy people with ALS. When implementing classifiers to identify sEMG signals from both healthy and ALS people, it was identified that the support vector machine (SVM) yielded the best performance, based on the following observed metrics: sensitivity - 95.38%, accuracy - 96.74%, and UAR - 98.48%. The SVM trained with continuous wavelet transform (CWT) achieved the best metrics: accuracy - 97.35%, and UAR - 98.69%. ML-based UL orthoses may offer additional benefits on motor rehabilitation, which are movement changes caused by some diseases, such as ALS. People with ALS have statistical properties of the EMGs and ACC signal, level of fatigue, muscle activation, and range of movement that are different from those of healthy people. This information is essential for therapeutic planning and for the development of AT resources, which enable the improvement of functionality and independence.pt_BR
dc.description.embargo2024-05-08
dc.description.resumoA Esclerose Lateral Amiotrófica (ELA) causa limitações motoras progressivas que se apresentam de forma distinta em cada paciente. Os comprometimentos relacionados ao membro superior (MS) impactam fortemente no desempenho das atividades da vida diária e independência funcional. O desenvolvimento tecnológico possibilitou a utilização da eletromiografia de superfície (EMGs) e do acelerômetro (ACC) como ferramentas adicionais para análise da função motora aprimorando, desse modo, as ferramentas de avaliação existentes. Essas podem, ainda, ser enriquecidas pela associação de algoritmos de aprendizagem de máquina (AM) que as tornam mais acuradas e precisas para avaliação e podem contribuir para o aperfeiçoamento de recursos de tecnologia assistiva (TA), como órteses. Nesta perspectiva, o objetivo desta tese foi implementar e comparar modelos de AM sobre dados de EMGs e ACC para avaliação da função motora de MS de pessoas com ELA. Os achados desta pesquisa foram divididos em quatro artigos: o artigo 1 consiste em uma revisão de escopo cujo objetivo foi descrever as características de órteses de MS controladas por algoritmos de AM, a partir de informações extraídas de artigos e patentes; e avaliar o risco de viés (PROBAST) dos artigos. 16 artigos e quatro patentes foram inseridas. Nesta revisão, identificamos que as órteses controladas por algoritmos de AM apresentam características físicas e de controle distintas, com divergência nos testes de usabilidade realizados. Os modelos de regressão linear e a EMGs foram as abordagens de controle mais comuns; o risco de viés foi classificados como “não claro” e “alto”. Os artigos 2, 3 e 4 tratam da análise do movimento de MS, a partir dos dados de EMGs e ACC coletados durante a realização de um estudo transversal, aprovado pelo Comitê de Ética do Campus Central da UFRN (CAAE: 25687819.3.0000.5537). O processamento dos dados foi realizado no software Matlab R2022b e a análise estatística, no software Statistical Package for the Social Science (SPSS), versão 20.0. Foram avaliadas 10 pessoas saudáveis e 7 com ELA, a partir de uma ficha de avaliação padronizada e instrumentos de avaliação validados para analisar a condição de saúde da pessoa com ELA e/ou com outras desordens neurológicas e/ou musculoesqueléticas. Os dados de EMGs e ACC foram utilizados para identificação do grau de estacionaridade, usando média, variância e teste de Kwiatkowski–Phillips–Schmidt–Shin (KPSS); linearidade, mediante o cálculo do desvio padrão, teste de Brock, Dechert & Scheinkman (BDS) e teste nonlinear autoregressive exogenous (NLARX); gaussianidade ao aplicar os testes de skewness e kurtosis; e esparsidade usando o índice de gini. Os dados de EMGs foram classificados como não lineares (teste BDS – nível de significância = 1 e razão de detecção = 2,4; teste NLARX – decisão de rejeição = 1 e razão de detecção = 1,5), estacionários (teste KPSS - decisão de rejeição = 0 e p-valor = .1), não normais (teste de skewness - s = -0.77; e kurtosis - h = 3.14) e não esparsos (índice de gini = 83). Os dados de ACC foram categorizados como não linear (teste BDS – nível de significância = 1 e razão de detecção = 29,21; teste NLARX – decisão de rejeição = 1 e razão de detecção = 1,59), não estacionários (teste KPSS - decisão de rejeição = 1 e p-valor = .01), não normais (teste de skewness - s = -0.81; e kurtosis - h = 3.17) e não esparsos (índice de gini = 93). Ambos, os resultados foram mais evidentes em pessoas com ELA. Ao implentarmos classificadores para identificação dos sinais de EMGs de pessoas saudáveis e com ELA, foi observado que o support vector machine (SVM) apresentou a melhor performance, à partir das seguintes métricas observadas: sensitividade - 95,38%, acurácia - 96,74%, e UAR - 98,48%. O SVM treinado com continuous wavelet transform (CWT) alcançou as melhores métricas: acurácia - 97,35% e UAR - 98,69%. Pessoas com ELA possuem propriedades estatísticas do sinal de EMGs e ACC, nível de fadiga, ativação muscular e variação do movimento distintas das de pessoas saudáveis. Essas informações são essenciais para o planejamento terapêutico e para o desenvolvimento de recursos de TA, que viabilizem a melhora da funcionalidade e independência.pt_BR
dc.identifier.citationHOLANDA, Ledycnarf Januário de. Aprendizagem de máquina aplicada a análise do movimento de membro superior de pessoas com esclerose lateral amiotrófica. Orientador: Ana Raquel Rodrigues Lindquist. 2023. 204f. 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/123456789/53567
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.subjectAprendizagem de máquinapt_BR
dc.subjectPropriedades estatísticaspt_BR
dc.subjectFuncionalidadept_BR
dc.subjectFunção motorapt_BR
dc.subjectEsclerose Lateral Amiotróficapt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::CIENCIAS DA SAUDE::FISIOTERAPIA E TERAPIA OCUPACIONALpt_BR
dc.titleAprendizagem de máquina aplicada a análise do movimento de membro superior de pessoas com esclerose lateral amiotróficapt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR

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