Use este identificador para citar ou linkar para este item: http://hdl.handle.net/11624/4307
Autor(es): Gündel, Mateus Elias
Título: Proposta de um modelo de detecção de tuberculose por emissão de plasma em ar pulmonar.
Data do documento: 2026
Protocolo CEP: Aprovado em 20 de agosto de 2024 (CAAE: 78659024.0.0000.5343).
Resumo: A tuberculose (TB) permanece como um grave problema de saúde pública global, com aproxima damente 10,8 milhões de casos incidentes e 1,25 milhão de óbitos registrados em 2023 (World Health Organization, 2024), com incidência desproporcionalmente elevada em populações vul neráveis. Os métodos diagnósticos convencionais (baciloscopia, cultura microbiológica e testes moleculares como o GeneXpert MTB/RIF) dependem de infraestrutura laboratorial que limita seu acesso em contextos de menor capacidade instalada. Esta dissertação investiga a viabilidade de um modelo de aprendizado de máquina para triagem de TB a partir de imagens de emissão de plasma geradas pelo BDEE-Device (Breath Diagnostic Electronic Eye Device), equipamento por tátil que produz microplasma a partir do ar pulmonar exalado e captura sua emissão óptica como imagem digital. O trabalho está organizado no formato escandinavo (compêndio de artigos), em dois artigos. O Artigo I, uma revisão sistemática conduzida segundo o protocolo PRISMA (Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses) sobre estudos publicados entre 2019 e 2024, identificou seis trabalhos cujos desempenhos variam amplamente (sensibilida des entre 0,52 e 1,00) para tecnologias como a cromatografia gasosa bidimensional abrangente acoplada à espectrometria de massas por tempo de voo (GC×GC-TOFMS) e narizes eletrônicos combinadas a algoritmos como Random Forest e máquinas de vetores de suporte (SVM); nenhum dos estudos analisados, contudo, combina emissão de plasma, captura de imagens e classificação por visão computacional para detecção de TB, configurando a lacuna que motiva o segundo artigo. O Artigo II propõe e avalia experimentalmente uma abordagem de classificação no dataset PEVA (2.154 imagens de 60 pacientes; 7 positivos, 53 negativos), comparando classificadores clássicos com descritores visuais tradicionais e três arquiteturas de redes neurais convolucio nais (CNN) com transfer learning, sob validação cruzada estratificada com separação estrita por paciente e conjunto de teste hold-out. O MobileNetV2 obteve o melhor desempenho na validação cruzada (área sob a curva ROC, AUC = 0,911 ± 0,166) e no teste hold-out (AUC = 0,873; intervalo de confiança de 95% [0,820; 0,915]), com sensibilidade limitada (0,150). A análise de interpretabilidade por Grad-CAM (Gradient-weighted Class Activation Mapping) revelou indícios de shortcut learning, e o experimento complementar de blob cropping dobrou a sensibilidade no teste (para 0,300) sem degradar a AUC. A análise de domain shift entre as versões 1.0 e 2.0 do equipamento revelou degradação severa de desempenho, indicando que parte dos padrões aprendidos pode ser instrumental. As métricas devem ser interpretadas com cautela em razão da elevada variância estatística associada ao número reduzido de pacientes positivos (n=7), o que reforça a natureza de prova de conceito do trabalho. Os resultados demonstram a viabilidade técnica da modalidade como prova de conceito para triagem point-of-care de TB e indicam, como direções centrais, a ampliação do dataset, a validação multicêntrica prospectiva e a investigação de técnicas de adaptação de domínio.
Resumo em outro idioma: Tuberculosis (TB) remains a major global public-health concern, with approximately 10.8 million incident cases and 1.25 million deaths reported in 2023 (World Health Organization, 2024), and disproportionately high incidence in vulnerable populations. Conventional diagnostic methods (smear microscopy, microbiological culture, and molecular tests such as GeneXpert MTB/RIF) rely on laboratory infrastructure that limits their access in low-resource settings. This dissertation investigates the feasibility of a machine-learning model for TB screening based on plasma emission images generated by the BDEE-Device (Breath Diagnostic Electronic Eye Device), a portable instrument that produces microplasma from exhaled pulmonary breath and captures its optical emission as a digital image. The work is organized in the Scandinavian (article-based) format and comprises two papers. Paper I, a systematic review conducted under the PRISMA (Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses) protocol covering studies published between 2019 and 2024, identified six relevant works whose performance varies widely (sensitivities between 0.52 and 1.00) for technologies such as comprehensive two-dimensional gas chromatography time-of-flight mass spectrometry (GC×GC-TOFMS) and electronic noses combined with algorithms such as Random Forest and support vector machines (SVM); none of the reviewed studies, however, combine plasma emission, image capture, and computer vision-based classification for TB detection, defining the gap that motivates the second paper. Paper II proposes and experimentally evaluates a classification approach on the PEVA dataset (2,154 images from 60 patients; 7 positive, 53 negative), comparing classical classifiers with traditional visual descriptors and three convolutional neural network (CNN) architectures with transfer learning, under stratified cross-validation with strict patient-wise split and a hold-out test set. MobileNetV2 achieved the best performance in cross-validation (area under the ROC curve, AUC = 0.911 ± 0.166) and on the hold-out test set (AUC = 0.873; 95% confidence interval [0.820; 0.915]), with limited sensitivity (0.150). Gradient-weighted Class Activation Mapping (Grad-CAM) interpretability analysis revealed evidence of shortcut learning, and the complementary blob cropping experiment doubled test sensitivity (to 0.300) without degrading AUC. Adomain shift analysis between versions 1.0 and 2.0 of the device revealed a severe drop in performance, suggesting that part of the learned patterns may be instrumental. The reported metrics must be interpreted with caution given the high statistical variance associated with the small number of positive patients (n=7), which reinforces the proof-of-concept nature of this work. The results demonstrate the technical feasibility of this modality as a proof of concept for point-of-care TB screening and point, as central directions, to dataset expansion, prospective multicenter validation, and the investigation of domain-adaptation techniques.
Nota: Inclui bibliografia.
Instituição: Universidade de Santa Cruz do Sul
Curso/Programa: Programa de Pós-graduação em Sistemas e Processos Industriais
Tipo de obra: Dissertação de Mestrado
Assunto: Tuberculose
Saúde pública
Espectrometria de massa
Orientador(es): Helfer, Gilson Augusto
Coorientador(es): Molz, Rolf Fredi
Aparece nas coleções:Programa de Pós-Graduação em Sistemas e Processos Industriais – Mestrado

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