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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.45.2018.tde-20082018-140641
Documento
Autor
Nome completo
Luciana de Melo e Abud
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2018
Orientador
Banca examinadora
Hirata, Nina Sumiko Tomita (Presidente)
Lauretto, Marcelo de Souza
Vargas, Claudia Domingues
Título em português
Modelos computacionais prognósticos de lesões traumáticas do plexo braquial em adultos
Palavras-chave em português
Aprendizado de máquina
Forestas aleatórias
Modelo prognóstico
Plexo braquial
Resumo em português
Estudos de prognóstico clínico consistem na predição do curso de uma doença em pacientes e são utilizados por profissionais da saúde com o intuito de aumentar as chances ou a qualidade de sua recuperação. Sob a perspectiva computacional, a criação de um modelo prognóstico clínico é um problema de classificação, cujo objetivo é identificar a qual classe (dentro de um conjunto de classes predefinidas) uma nova amostra pertence. Este projeto visa a criar modelos prognósticos de lesões traumáticas do plexo braquial, um conjunto de nervos que inervam os membros superiores, utilizando dados de pacientes adultos com esse tipo de lesão. Os dados são provenientes do Instituto de Neurologia Deolindo Couto (INDC) da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e contêm dezenas de atributos clínicos coletados por meio de questionários eletrônicos. Com esses modelos prognósticos, deseja-se identificar de maneira automática os possíveis preditores do curso desse tipo de lesão. Árvores de decisão são classificadores frequentemente utilizados para criação de modelos prognósticos, por se tratarem de um modelo transparente, cujo resultado pode ser examinado e interpretado clinicamente. As Florestas Aleatórias, uma técnica que utiliza um conjunto de árvores de decisão para determinar o resultado final da classificação, podem aumentar significativamente a acurácia e a generalização dos modelos gerados, entretanto ainda são pouco utilizadas na criação de modelos prognósticos. Neste projeto, exploramos a utilização de florestas aleatórias nesse contexto, bem como a aplicação de métodos de interpretação de seus modelos gerados, uma vez que a transparência do modelo é um aspecto particularmente importante em domínios clínicos. A estimativa de generalização dos modelos resultantes foi feita por meio de métodos que viabilizam sua utilização sobre um número reduzido de instâncias, uma vez que os dados relativos ao prognóstico são provenientes de 44 pacientes do INDC. Além disso, adaptamos a técnica de florestas aleatórias para incluir a possível existência de valores faltantes, que é uma característica presente nos dados utilizados neste projeto. Foram criados quatro modelos prognósticos - um para cada objetivo de recuperação, sendo eles a ausência de dor e forças satisfatórias avaliadas sobre abdução do ombro, flexão do cotovelo e rotação externa no ombro. As acurácias dos modelos foram estimadas entre 77% e 88%, utilizando o método de validação cruzada leave-one-out. Esses modelos evoluirão com a inclusão de novos dados, provenientes da contínua chegada de novos pacientes em tratamento no INDC, e serão utilizados como parte de um sistema de apoio à decisão clínica, de forma a possibilitar a predição de recuperação de um paciente considerando suas características clínicas.
Título em inglês
Prognostic computational models for traumatic brachial plexus injuries in adults
Palavras-chave em inglês
Brachial plexus
Machine learning
Prognostic model
Random forests
Resumo em inglês
Studies of prognosis refer to the prediction of the course of a disease in patients and are employed by health professionals in order to improve patients' recovery chances and quality. Under a computational perspective, the creation of a prognostic model is a classification task that aims to identify to which class (within a predefined set of classes) a new sample belongs. The goal of this project is the creation of prognostic models for traumatic injuries of the brachial plexus, a network of nerves that innervates the upper limbs, using data from adult patients with this kind of injury. The data come from the Neurology Institute Deolindo Couto (INDC) of Rio de Janeiro Federal University (UFRJ) and they are characterized by dozens of clinical features that are collected by means of electronic questionnaires. With the use of these prognostic models we intended to automatically identify possible predictors of the course of brachial plexus injuries. Decision trees are classifiers that are frequently used for the creation of prognostic models since they are a transparent technique that produces results that can be clinically examined and interpreted. Random Forests are a technique that uses a set of decision trees to determine the final classification results and can significantly improve model's accuracy and generalization, yet they are still not commonly used for the creation of prognostic models. In this project we explored the use of random forests for that purpose, as well as the use of interpretation methods for the resulting models, since model transparency is an important aspect in clinical domains. Model assessment was achieved by means of methods whose application over a small set of samples is suitable, since the available prognostic data refer to only 44 patients from INDC. Additionally, we adapted the random forests technique to include missing data, that are frequent among the data used in this project. Four prognostic models were created - one for each recovery goal, those being absence of pain and satisfactory strength evaluated over shoulder abduction, elbow flexion and external shoulder rotation. The models' accuracies were estimated between 77% and 88%, calculated through the leave-one-out cross validation method. These models will evolve with the inclusion of new data from new patients that will arrive at the INDC and they will be used as part of a clinical decision support system, with the purpose of prediction of a patient's recovery considering his or her clinical characteristics.
 
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Data de Publicação
2018-08-29
 
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