Autor |
Gubert, Luis Claudio; |
Lattes do autor |
http://lattes.cnpq.br/5991007531902344; |
Orientador |
Costa, Cristiano André da; |
Lattes do orientador |
http://lattes.cnpq.br/9637121030877187; |
Co-orientador |
Kunst, Rafael; |
Lattes do co-orientador |
http://lattes.cnpq.br/1301443198267856; |
Instituição |
Universidade do Vale do Rio dos Sinos; |
Sigla da instituição |
Unisinos; |
País da instituição |
Brasil; |
Instituto/Departamento |
Escola Politécnica; |
Idioma |
pt_BR; |
Título |
AIDA: uma arquitetura inteligente para gerenciamento de diabetes; |
Resumo |
A incidência do diabetes mellitus tipo 2 tem aumentado significativamente nos últimos anos, se destacando como uma causa significativa de morbidade e mortalidade. Atualmente o sistema de gerenciamento de doenças se concentra na identificação de uma doença e seus métodos curáveis. Essa abordagem não é adequada para pacientes com DM2, pois a doença é crônica e a abordagem deve se preocupar com o longo curso da doença e com todos os envolvidos no seu acompanhamento (o paciente, o serviço de atenção primária, médicos e hospitais). A evolução dos dispositivos portáteis e sensores, e o aumento do uso do registro eletrônico de saúde, contribuem para o aumento do volume de dados que podem ser utilizados para acompanhamento, melhoria e individualização do tratamento. A grande disponibilidade de dados para cada paciente torna desafiador o processo de análise pelos serviços de saúde. Tal fato, impulsiona a
utilização de técnicas de inteligência artificial (IA) para extrair conhecimento que possa ser utilizado como suporte às decisões dos profissionais de saúde. Tendo em vista que cuidados de doenças crônicas são de longo curso e exigem um acompanhamento contínuo, propomos como contribuição deste trabalho o desenvolvimento de uma arquitetura computacional que, baseada nos dados coletados por sensores e dados do registro eletrônico de saúde do paciente, utilize o aprendizado de máquina para encontrar padrões individualizados do curso da doença. Pretendese com isso, detectar precocemente o surgimento de comorbidades e o consequente declínio da saúde do paciente. Para esta tese propomos o desenvolvimento, implementação e avaliação
de uma arquitetura inteligente para acompanhamento de pacientes com diabetes mellitus tipo 2, denominada AIDA. Avaliamos o modelo por meio de estudos de avaliação de aceitação da tecnologia baseados no TAM (technology acceptance model) e da aplicação do SUS (System Usability scale) em entrevistas com especialistas e pelo uso da tecnologia por parte de pacientes. Com relação às avaliações de classificação e predição, construímos um dataset com dados de um centro clínico nacional. Para avaliação dos resultados, foram comparados vários modelos de aprendizado de máquina para classificação, como Random forest, Decision Tree, Logistic regression, Gradient boosting, XGBoost e LightGBM com as configurações de hiperparâmetros alteradas para obter os melhores resultados. Para o modelo de predição foi utilizada redes LSTM (Long short-term memory) com dados coletados no contexto do paciente. Os resultados foram avaliados de forma visual e por métricas como a acurácia, precisão, sensibilidade,
especificidade, F1-score e AUROC para a classificação e Root mean square error (RMSE), Mean absolute error (MAE) e Mean Poisson Deviance (MPD) para predição. Os resultados de aceitação e usabilidade apontaram que ambos os grupos, profissionais e pacientes, tem percepções positivas sobre a aplicação de tecnologia nos cuidados de doenças crônicas. Por sua vez, os melhores resultados para classificação apresentaram AUC de 0.85, especificidade de 0.92, sensibilidade de 0.52, precisão de 0.46, acurácia de 0.87 e F1-score de 0.49. Para predição, os melhores resultados apresentaram RMSE de 38.74, MAE de 31.41 e MPD de 8.82. Os resultados obtidos reforçam a hipótese de que é possível definir um modelo computacional para suporte e acompanhamento de pacientes com diabetes mellitus tipo 2.; |
Abstract |
The incidence of type 2 diabetes mellitus has increased significantly in recent years, emerging as a significant cause of morbidity and mortality. The disease management system currently focuses on identifying a disease and its curable methods. This approach is not suitable for patients with DM2, as the disease is chronic, and the approach must be concerned with the long course of the disease and with everyone involved in its follow-up (the patient, the primary care service, doctors, and hospitals). The evolution of portable devices and sensors and the increased use of electronic health records contribute to the increase in the volume of data that can be used to monitor, improve, and individualize treatment. The extensive data availability for each patient makes the analysis process by health services challenging. This fact encourages the use of artificial intelligence (AI) techniques to extract knowledge that can be used to support healthcare professionals’ decisions. Considering that care for chronic diseases is long-term. It requires continuous monitoring, we propose as a contribution to this work the development of a computational architecture that, based on data collected by sensors and data from the patient’s
electronic health record, uses machine learning to find individualized patterns of the course of the disease. The aim is to detect the emergence of comorbidities early and the consequent decline in the patient’s health. For this thesis, we propose developing, implementing, and evaluating an intelligent architecture called AIDA for monitoring patients with type 2 diabetes mellitus. We evaluated the model through technology acceptance assessment studies based on the TAM (technology acceptance model) and the application of the SUS (System Usability scale) in interviews with experts and through the use of technology by patients. Regarding classification and prediction evaluations, we built a dataset with data from a national clinical center. To evaluate the results, several machine learning models for classification were compared, such as Random forest, Decision Tree, Logistic regression, Gradient boosting, XGBoost and LightGBM with hyperparameter settings changed to get the best results. LSTM networks (Long short-term memory) were used for the prediction model with data collected in the patient’s context. The results were evaluated visually and by metrics such as accuracy, precision, sensitivity, specificity, F1-score, and AUROC for classification and Root mean square error (RMSE), Mean absolute
error (MAE ) and Mean Poisson Deviance (MPD) for prediction. The acceptance and usability results showed that both groups, professionals and patients, have positive perceptions about applying technology in the care of chronic diseases. In turn, the best results for classification presented AUC of 0.85, specificity of 0.92, sensitivity of 0.52, precision of 0.46, accuracy of 0.87 and F1-score of 0.49. For prediction, the best results presented RMSE of 38.74, MAE of 31.41, and MPD of 8.82. The results reinforce the hypothesis that it is possible to define a computational model to support and monitor patients with type 2 diabetes mellitus.; |
Palavras-chave |
Ciência de contexto; IoT; Aprendizado de máquina; Diabetes mellitus; Cuidados com saúde; Context-aware; Machine learning; Healthcare; |
Área(s) do conhecimento |
ACCNPQ::Ciências Exatas e da Terra::Ciência da Computação; |
Tipo |
Tese; |
Data de defesa |
2024-04-01; |
Agência de fomento |
IFRS - Instituto Federal do Rio Grande do Sul; |
Direitos de acesso |
openAccess; |
URI |
http://repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/13564; |
Programa |
Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada; |