00 CAMPUS ARISTÓTELES CALAZANS SIMÕES (CAMPUS A. C. SIMÕES) IC - INSTITUTO DE COMPUTAÇÃO Dissertações e Teses defendidas na UFAL - IC
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Tipo: Dissertação
Título: Uso de algoritmos de aprendizagem de máquina e estratégias de seleção de atributos para otimizar a identificação de ceracotone a partir de propriedades biomecânicas da córnea
Título(s) alternativo(s): Construção automática de classificadores para a otimização da identificação de ceratocone a partir de propriedades biomecânicas da córnea.
Use of machine learning algorithms and feature selection search strategies to optimize keratoconus identification using corneal biomechanical properties
Autor(es): Ventura, Bruna Vieira Oliveira Carvalho
Primeiro Orientador: Machado, Aydano Pomponet
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Lyra, João Marcelo de Almeida Gusmão
metadata.dc.contributor.referee1: Costa, Evandro de Barros
metadata.dc.contributor.referee2: Fontes, Bruno Machado
Resumo: Objetivou-se com o presente estudo avaliar a performance do Ocular Response Analyzer (ORA) em diferenciar graus I e II de ceratocone de córneas normais usando cada um dos seus 41 parâmetros individualmente, o possível beneficio do uso conjunto de todos os parâmetros, e a influência da espessura corneal mais fina (ECF). Adicionalmente, investigar o uso de algoritmos de aprendizagem de máquina e estratégias de seleção de atributos para otimizar a identificação de formas precoce de ceratocone. Foram incluídos 68 olhos de pacientes com formas precoce de ceratocone (graus I e II) e 136 olhos normais de pacientes pareados pela idade. Todos os olhos tinham uma espessura corneal central entre 500 e 600 μm. A média de valores dos 41 parâmetros do ORA foi comparada entre os grupos, e entre os subgrupos criados utilizando como ponto de corte uma ECF de 500 μm. Calculou-se a área sob a curva do receiver operating characteristic (ASC) obtida por cada um dos 41 parâmetros isoladamente e por todos juntos ao separar os grupos. Os parâmetros foram estudados usando algoritmos de aprendizagem de máquina [máquina de vetores de suporte (MSV), árvore de decisão, rede neural de função de base radial e perceptron multicamadas] e estratégias de seleção de atributos (forward selection, backward elimination, e algoritmos genéticos). A performance dos algoritmos foi expressa através da sensibilidade, especificidade e acurácia obtidas usando testes de validação cruzada 10-fold. A maioria dos parâmetros teve uma média estatisticamente menor no grupo de ceratocone, apesar da grande sobreposição de valores entre os grupos. Vinte e dois parâmetros não foram influenciados pela ECF. Quatro parâmetros (p1area, p1area1, p2area e p2area1) obtiveram uma ASC maior que 0,900 ao serem usados isoladamente. O p2area atingiu a maior ASC individualmente (0,931). A ASC aumentou para 0,978 ao se analisar todos os parâmetros juntos. Dos algoritmos estudados, a MSV atingiu a melhor performance sem o uso de estratégias de seleção de atributos: sensibilidade de 86,8%, especificidade de 91,9% e acurácia de 90,3% ± 5,2%. Todos os algoritmos tiveram um melhor desempenho na identificação de formas precoce de ceratocone com o uso de estratégias de seleção de atributos. A maior sensibilidade, especificidade e acurácia obtida foi 94,1%, 95,6% e 95,1% ± 4,5%, respectivamente. Essa performance foi obtida pela associação da MSV e do algoritmo genético, através do uso de um subgrupo de 23 parâmetros do ORA: CRF, CH, aindex, p1area, p2area, aspect1, uslope2, dslope1, dslope2, w1, h2, mslew1, mslew2, slew1, slew2, p1area1, p2area1, uslope11, uslope21, dslope21, w11, path11 e path21. Em conclusão, quatro parâmetros do ORA foram os melhores para identificar graus I e II de ceratocone quando usados individualmente. O uso conjunto de todos os parâmetros melhorou a performance do exame. O uso de algoritmos de aprendizagem de máquina e estratégias de seleção de atributos otimizou a identificação de formas precoce de ceratocone.
Abstract: The purpose of the present study was to evaluate the Ocular Response Analyzer’s (ORA’s) performance in differentiating grades I and II keratoconus from normal corneas using each of its 41 parameters individually, and to assess the effect of analyzing all parameters together and the influence of the corneal thinnest point (CTP). In addition, investigate the use of machine learning algorithms and feature selection search strategies to optimize mild keratoconus identification. This study included 68 eyes with mild keratoconus (grades I and II) and 136 healthy agematched control eyes. All eyes had a central corneal thickness between 500 and 600 μm. The mean value of the 41 ORA parameters were compared between the groups, and between the subgroups created based on a CTP greater or lower than 500 μm. The area under the receiver operating characteristic curve (AUC) when separating both groups was calculated for each of the 41 parameters independently and for all of the parameters together. The 41 parameters were assessed using machine learning algorithms [support vector machine (SVM), decision tree, radial basis function neural network, and multi-layer perceptron] and feature selection strategies (forward selection, backward elimination, and genetic algorithm search). The algorithms’ performance was expressed as the sensitivity, specificity and accuracy obtained on the 10-fold cross-validation tests. Most parameters had a statistically lower mean value in the keratoconus group, although there was a large measurement overlap between both groups. Twenty-two parameters were not influenced by the CTP. When analyzed individually, 4 parameters (p1area, p1area1, p2area, and p2area1) had an AUC greater than 0.900. The p2area was the parameter that achieved the largest AUC individually (0.931). The AUC increased to 0.978 when analyzing all parameters together. Of the machine learning algorithms, SVM achieved the best performance when no feature selection strategies were used: sensitivity of 86.8%, specificity of 91.9%, and accuracy of 90.3% ± 5.2%. All algorithms had a better performance in mild keratoconus detection with the use of feature selection strategies. The highest sensitivity, specificity, and accuracy attained were of 94.1%, 95.6%, and 95.1% ± 4.5%, respectively. This performance was achieved with a subset of 23 ORA parameters selected by associating SVM with the genetic algorithm. This subset of parameters consisted of CRF, CH, aindex, p1area, p2area, aspect1, uslope2, dslope1, dslope2, w1, h2, mslew1, mslew2, slew1, slew2, p1area1, p2area1, uslope11, uslope21, dslope21, w11, path11 and path21. In conclusion, four ORA parameters were the best for identifying grades I and II keratoconus when used individually. The combination of all parameters improved the exam’s performance. The use of machine learning algorithms and feature selection search strategies optimized ORA’s detection of mild keratoconus.
Palavras-chave: Algorítmos computacionais
Ceratocone
Córnea - Biomecânica
Computational algorithms
Keratoconus
Cornea-Biomechanics
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Alagoas
Sigla da Instituição: UFAL
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional de Conhecimento
Citação: VENTURA, Bruna Vieira Oliveira Carvalho. Uso de algoritmos de aprendizagem de máquina e estratégias de seleção de atributos para otimizar a identificação de ceracotone a partir de propriedades biomecânicas da córnea. 2013. 148 f. Dissertação (Mestrado em Modelagem Computacional de Conhecimento) - Instituto de Computação, Programa de Pós Graduação em Modelagem Computacional de Conhecimento, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2013.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.repositorio.ufal.br/handle/riufal/1826
Data do documento: 4-nov-2013
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