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Tipo: Tese
Título: Segmentação de batimentos cardíacos em eletrocardiograma e identificação de arritmia cardíaca em um único lote de processamento por aprendizado profundo usando uma abordagem de regressão em uma rede neural convolucional
Autor(es): Marinho, Leandro Bezerra
Orientador: Rebouças Filho, Pedro Pedrosa
Palavras-chave: Eletrocardiograma (ECG), Extração de características, Segmentação, Classifi- cação, Aprendizado Profundo
Data do documento: 7-Mai-2021
Citação: MARINHO, L. B. (2021)
Resumo: Os métodos convencionais para diagnóstico de doenças cardiovasculares em eletrocardiograma (ECG) dependem da obtenção de características particulares no sinal por um observador humano. Devido ao grande número de pacientes e a necessidade de observação contínua, várias técnicas de classificação automática de arritmias foram desenvolvidas nos últimos anos para resolver esse problema. Diante disso, a tese propõe um novo método para classificação de arritmias cardíacas e segmentação de ondas em sinais de eletrocardiograma que usa uma abordagem de regressão com Aprendizado Profundo. Além disso, avalia-se a abordagem clássica de classificação de arritmias que trata de forma independentes as etapas de segmentação, extração de características e classificação. A combinação com maior acurácia, 94,3%, no métodos clássicos foi do extrator Estatísticas de Alta Ordem (Higher-Order Statistics, HOS) com o classificador Naive-Bayes usando a divisão com 5 classes. Quanto a problema com 3 classes, os resultados mostram que o HOS obteve desempenho semelhante. Esse extrator em conjunto com o classificador Naive- Bayes conseguiram acurácia de 94%, sensibilidade acima de 99% para os batimentos cardíacos normais e especificidade de 99% nas classes VEB e SVEB. Por conta dos desafios apresentados nesse grupo de estudo, um novo método que usa regressão com Aprendizado Profundo foi proposto. Suas acurácias usando o mesmo protocolo de avaliação para as divisões com 2, 3 e 5 classes foram 99,56%, 99,55% e 99,45%, respectivamente. As outras métricas computadas a partir da matriz de confusão também foram superiores a 99% em todas as variações. O tempo de classificação média do método proposto usando Unidade de Processamento Gráfico (Graphics Processing Unit, GPU) foi de 5,59E-3s, corroborando que o mesmo é adequado para sistemas de tempo real. Quanto a detecção do QRS, o método proposto obteve 99,88% de acurácia nas bases de dados MIT-BIH e QT. Em relação a segmentação do QRS, o erro médio da diferença temporal do início do QRS, QRSon, foi 0,26ms e o QRSo f f foi 2,08ms. Na detecção das ondas T e P, as melhores sensibilidades foram 99,85% e 99,52%, enquanto os valores preditivos positivos foram 99,92% e 99,69%. Os erros de segmentação para esses tipos de onda foram −0,25 ± 13,22 e −2,80 ± 14,79 para onda T e 0,26 ± 9,98 e 0,17 ± 9,68 para onda P. O estudo apresentado nesta tese mostra que o método proposto mostra-se adequado para integrar sistemas de auxílio ao diagnóstico médico na área de Cardiologia.
Abstract: Conventional methods for diagnosing cardiovascular disease on electrocardiogram (ECG) depend on obtaining particular characteristics in the signal by a human observer. Due to many patients and the need for continuous observation, several automatic arrhythmia classification techniques have been developed in recent years to solve this problem. Therefore, the thesis proposes a new method for classifying cardiac arrhythmias and wave segmentation in electrocardiogram signals that uses a Deep Learning regression approach. In addition, we evaluate the classic approach to classifying arrhythmias, which independently deals with the stages of segmentation, feature extraction, and classification. The combination with the highest accuracy, 94.3%, in the classical methods was the extractor Estatísticas de Alta Ordem (Higher-Order Statistics, HOS) with the classifier Naive-Bayes using division with five classes. As for the problem with the three classes, the results show that the HOS had a similar performance. This extractor and the Naive-Bayes classifier achieved an accuracy of 94%, sensitivity above 99% for normal heartbeats, and specificity of 99% in the EBV and SVEB classes. Due to the challenges presented in this study group, we propose a new method that uses regression with Deep Learning. Their accuracy using the same evaluation protocol for divisions with 2, 3, and 5 classes was 99.56%, 99.55%, and 99.45%, respectively. The other metrics computed from the confusion matrix were also greater than 99% in all variations. The average classification time of the proposed method using Unidade de Processamento Gráfico (Graphics Processing Unit, GPU) was 5.59E-3s, confirming that it is suitable for real-time systems. As for QRS detection, the proposed method obtained 99.88% of accuracy in the MIT-BIH and QT databases. Regarding QRS segmentation, the mean error of the time difference from the beginning of the QRS, QRSon, was 0.26ms, and the QRSo f f was 2.08ms. In detecting T and P waves, the best sensitivities were 99.85% and 99.52%, while the positive predictive values were 99.92% and 99.69%. The segmentation errors for these wave types were −0.25 ± 13.22 and −2.80 ± 14.79 for T wave and 0.26 ± 9.98 and 0.17 ± 9.68 for P wave. The study presented in this thesis shows that the proposed method proves to be adequate in integrating systems to aid medical diagnosis in Cardiology.
Descrição: MARINHO, Leandro Bezerra. Segmentação de batimentos cardíacos em eletrocardiograma e identificação de arritmia cardíaca em um único lote de processamento por aprendizado profundo usando uma abordagem de regressão em uma rede neural convolucional 2021. 112 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2021.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/69014
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