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ATHENA I: an architecture for real-time monitoring of physiological signals supported by artificial intelligence

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Autor Fröhlich, William da Rosa;
Lattes do autor http://lattes.cnpq.br/7815654397906129;
Orientador Rigo, Sandro José;
Lattes do orientador http://lattes.cnpq.br/3914159735707328;
Co-orientador Bez, Marta Rosecler;
Lattes do co-orientador http://lattes.cnpq.br/0416601437290797;
Instituição Universidade do Vale do Rio dos Sinos;
Sigla da instituição Unisinos;
País da instituição Brasil;
Instituto/Departamento Escola Politécnica;
Idioma pt_BR;
Título ATHENA I: an architecture for real-time monitoring of physiological signals supported by artificial intelligence;
Resumo Sensores vestíveis (wearable sensors) vêm sendo utilizados para obtenção confiável de sinais fisiológicos, com o intuito de apoiar o diagnóstico de doenças. Os wearable sensors podem medir sinais diversos, tais como eletrocardiograma, variação da frequência cardíaca, eletroencefalograma, eletromiograma ou resposta galvânica da pele. Todos esses sinais possuem suas próprias características em estado normal e mudam quando associadas a alguma doença, ou sob efeito de estresse. Abordagens de Aprendizado de Máquina (Machine Learning) ou Modelos de Aprendizagem Profunda são opções para o uso destes sinais na detecção e predição de padrões, atuando como apoio no diagnóstico. O estado da arte nesta área indica uma tendência no uso de wearable sensors para monitoramento contínuo de pacientes, seja em ambiente hospitalar ou doméstico, por ser uma opção portátil e não invasiva. Estudos apontam o baixo custo dos sensores vestíveis como uma vantagem, quando comparados com equipamentos médicos hospitalares tradicionais. Outros estudos destacam a possibilidade de apoio na detecção automática de doenças, em especial doenças crônicas, utilizando inteligência artificial em sinais fisiológicos. Com base na revisão realizada, é possível concluir que há oportunidades de desenvolvimento ainda não exploradas, pois não foram encontrados trabalhos que contemplem ao mesmo tempo os aspectos de menor custo, maior flexibilidade e uso amplo de recursos de Aprendizado de Máquina para detecção automática. Neste contexto, o principal objetivo desse trabalho é o desenvolvimento de uma arquitetura para aquisição de multisinais com wearable sensors, monitoramento contínuo e detecção de estresse. A arquitetura é composta por sensores vestíveis, para aquisição do sinal, e computadores de placa única, para processamento dos dados e comunicação de resultados para outras plataformas. Os diferenciais desta arquitetura consistem na integração de recursos para aquisição multisinais para monitoramento contínuo de pacientes com um baixo custo de implementação, flexibilidade e facilidade de uso. Um protótipo foi desenvolvido de forma modular e cada módulo da arquitetura foi testado individualmente, para garantir a independência dos componentes, avaliando criteriosamente a estabilidade e a plausibilidade dos dados. Além dos experimentos de testes, também foram realizados dois experimentos práticos de indução de estresse. O primeiro para composição de um dataset proprietário da pesquisa para geração de um modelo de Aprendizado de Máquina. O segundo para avaliação completa da arquitetura, com foco na detecção em tempo real. Os resultados de treinamento e classificação do modelo de Machine Learning apresentaram bons resultados, com acurácia acima de 98,72% para classificação binária e 92,72% para classificação com três classes. Ao analisarmos a classificação em tempo real, ocorreu uma queda para 52,33% de acurácia com todos novos participantes e participantes que estiveram no primeiro experimento e 69,00% para apenas os participantes que estiveram na primeira rodada de experimentos. A arquitetura apresentou ótima estabilidade de comunicação e funcionamento, realizando aquisições curtas e longas de forma eficiente, sem perdas de dados nem travamentos. Os dados do dataset também apresentaram bons resultados, com valores plausíveis e justificáveis dentro do contexto do experimento realizado. Os resultados de predição obtidos ao testar o modelo com os participantes que estiveram no treinamento, os resultados foram bastante elevados. Porém apresentaram queda significativa ao tentar classificar participantes novos, como nos experimentos em tempo real.;
Abstract Wearable sensors may obtain reliable physiological signals to diagnose diseases and detect changes. Wearables can measure signs such as electrocardiogram, heart rate, electroencephalogram, electromyogram, or galvanic skin response. All these signals have intrinsic characteristics in a normal state and change if associated with illness. The literature presents the Machine Learning Approaches and Deep Learning Models as alternatives to pattern detection in physiological signals. The state-of-the-art in this area indicates a trend to use wearables for continuous monitoring of patients, whether in a hospital or home environment, as it is a portable and noninvasive option. In addition, many studies point out the low cost of wearable sensors as another advantage compared to traditional hospital medical equipment. Other studies highlight the possibility of supporting automatic diseases detection, especially chronic diseases, using artificial intelligence in physiological signals. Based on the review carried out, it is possible to conclude that there are still new development opportunities. The studied papers do not address at the same time aspects of lower cost, greater flexibility, wide use of Machine Learning resources, and communication of results. This work’s main objective is to develop an architecture for multisignal acquisition with wearable sensors for continuous monitoring and stress detection. The architecture comprises wearable sensors and single-board computers—the wearable sensor for data processing and single-board computer to communicate the results to other platforms. The differentials of this architecture consist of the integration of resources for multi-signal acquisition for continuous monitoring of patients with a low implementation cost, flexibility, and ease of use. We developed a prototype in a modular way, and we tested each module of the architecture. These tests aimed to guarantee the independence of the components, carefully evaluating the stability and plausibility of the data. We also carried out two practical stress-inducing experiments. The first composed a proprietary dataset to generate a Machine Learning model, and the second allowed full architecture assessment, focusing on real-time detection. The training and classification results of the Machine Learning model showed promising results, with accuracy above 98.72% for binary classification and 92.72% for classification with three classes. When analyzing the real-time classification, we obtained an accuracy of 69.00% for participants in the first round of experiments. The architecture presented excellent communication and operation stability. During the experiments, the architecture performed short and long acquisitions efficiently. The acquired data showed promising results, with plausible and justifiable values within the context of the experiment performed. The classification results obtained when testing the model with participants who were in training, the results were relatively high.;
Palavras-chave Aquisição multisinais; Detecção de estresse; Inteligência artificial; Sensores vestíveis; Sinais fisiológicos; Artificial intelligence; Multi-signal acquisition; Physiological signals; Stress detection; Wearables sensors;
Área(s) do conhecimento ACCNPQ::Ciências Exatas e da Terra::Ciência da Computação;
Tipo Dissertação;
Data de defesa 2022-03-22;
Agência de fomento CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior;
Direitos de acesso openAccess;
URI http://www.repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/11778;
Programa Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada;


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