CAPES / O conforto e a liberdade de movimentos de pacientes com doenças crônicas e que têm que ser continuamente monitorados é um tema que tem incentivado o desenvolvimento de novas tecnologias como as redes de sensores corporais sem fios (WBAN) e novas áreas de pesquisa como a telemedicina. Além disso, a incorporação de software inteligente que permite simular o raciocínio dos especialistas, auxiliá-los na tomada de decisões e detectar com antecedência condições anormais ou tendência ao desenvolvimento de determinadas doenças, abre um campo ainda maior de pesquisas, como o campo da Inteligência Artificial na Medicina (AIM). O monitoramento de pacientes por meio de equipamentos sem fios, em conjunto com a tecnologia AIM, permite desenvolver soluções práticas para monitorar pacientes sem descuidar de seu conforto. Nesta tese foram pesquisadas técnicas inteligentes para o desenvolvimento de uma aplicação que permita monitorar cinco sinais vitais de pacientes sem que eles precisem usar leitos hospitalares. Em uma primeira etapa, os procedimentos médicos tipicamente usados pelos especialistas para avaliar um paciente foram estudados e transformados em regras para o modelo fuzzy. O modelo fuzzy proposto permite analisar o estado clínico presente do paciente e criar as saídas desejadas (targets) que permitam treinar as redes neurais artificiais. Posteriormente foi desenvolvido um modelo neural que, analisando os dados atuais e saídas anteriores do paciente, permite prever o seu estado clínico futuro próximo. A fim de achar a metodologia mais exata, cinco redes neurais artificiais foram analisadas e comparadas umas às outras. As redes Elman MISO, Elman MIMO, e NNARX – totalmente conectadas e podadas – foram testadas. O modelo fuzzy teve um excelente resultado concordando com as respostas dadas pelos especialistas em 99,76% dos casos. Depois de analisar as redes propostas no conjunto de validação, os resultados revelaram que unicamente a rede NNARX podada pode oferecer a mais alta acurácia de 99,82%, enquanto os outros modelos degradam o seu desempenho em até 35%. As técnicas de parada antecipada para o treinamento junto com a obtenção de valores médios de MSE, FPE e coeficientes de correlação conseguiram obter as melhores topologias de cada tipo de rede, fazendo quase desnecessária a sua poda. As redes NNARX e P-NNARX conseguiram resultados bem melhores que as redes restantes, mas a acurácia na rede P-NNARX observou um aumento de 1,27% em relação à rede NNARX. Como conclusão, pode-se dizer que, para este caso particular, as redes NNARX capturam a essência do sistema dinâmico não linear muito melhor do que as redes Elman. Finalmente, a rede P-NNARX foi a escolhida para a implementação do sistema inteligente proposto nesta tese. A sua acurácia foi de 99,25% para uma predição no tempo (t + d), onde d = 1 segundo, utilizando os dados de 30 novos pacientes. Foram feitas mais provas com periodos de predição maiores e o sistema demostrou uma ligeira diminuição na acurácia, chegando a 94,58% para d = 60 segundos, mas ainda ficando na faixa dos 90%. Os resultados demonstram o alto nível de generalização do sistema e o excelente desempenho na predição dos três estados clínicos do paciente (estável, semiestável e instável). Pretende-se que este sistema inteligente possa ser usado como ferramenta para a medicina preventiva em pacientes crônicos. / The comfort and freedom of movements of patients that have to be continually monitored is a theme that has motivated the development of new technologies such as networks of wireless body sensors (WBAN) and new research areas such as telemedicine. In addition, the incorporation of intelligent software to simulate the reasoning of experts, assist them in decision making and in early detection of abnormal conditions or tendencies to develop certain diseases, opens an even larger field of research, such as the field of Artificial Intelligence in Medicine (AIM beings its acronym in English). Patient monitoring through wireless equipment and AIM technology allows to develop practical solutions to control patients in environments outside of clinics or hospitals. In this thesis, intelligent tools were used for the development of an application that allows monitoring of five vital signs of patients without them being present in a hospital bed. In a first step, typical medical procedures used by specialists for evaluating a patient were studied and transformed into rules for the fuzzy model. The proposed fuzzy model allows the analysis of the current state of the patient to create the desired outputs (targets) that are used to train the artificial neural networks. Then, a neural model was developed which, by analysing current and historic patient data, forecasts patients’ clinical status in the near future. In order to find the most exact methodology, five artificial neural networks were analyzed and compared with each other using thousands of real patient data sets. Elman MISO, Elman MIMO and NNARX – fully connected and pruned – were tested. The fuzzy model answered in a excelent form, agreeing in 99.76% to the answers given by the experts. After analizing the proposed networks in the validation dataset, it was discovered that the pruned NNARX can offer the highest overall accuracy of 99.82%, whereas the others show a decrease of up to 35%. Through techniques such as early stopping for the training with the search of the mean of MSE, FPE and correlation coefficients it was possible to achieve the best topologies of every network type, making their pruning almost unnecessary. The fully connected NNARX and the P-NNARX achieved much better results than other networks, but an increase of 1.27% was observed in the overall accuracy of the pruned network with respect to the NNARX. It can be said that for this particular case, NNARX networks capture the essence of the non-linear dynamic system much better than Elman. Finally, the P-NNARX model was chosen for the implementation of the proposed smart system. Its overall acuracy was of 99.25%, for the prediction time (t + d), with d = 1 second, by using unseen data of 30 new patients. More tests made with longer prediction periods demonstrate a slight decrease in the overall accuracy reaching up to 94.58% for d = 60 seconds. Nevertheless, it still remained over 90%. Results demonstrate the high generalization level of the system and its excellent performance in predicting the three possible patient conditions (stable, semi-stable, unstable). The next step is to turn this intelligent system into an usefull tool for preventive medicine for chronic patients.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/urn:repox.ist.utl.pt:RI_UTFPR:oai:repositorio.utfpr.edu.br:1/1022 |
| Date | 18 February 2014 |
| Creators | Schatz, Cecilia Haydee Vallejos de |
| Contributors | Schneider, Fábio Kurt, Abatti, Paulo José |
| Publisher | Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UTFPR, instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná, instacron:UTFPR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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