Detecção e previsão da apneia obstrutiva do sono através da variabilidade da frequência cardíaca

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Rocha, Jônatas de Lira
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)
Texto Completo: http://repositorio.ufes.br/handle/10/17391
Resumo: Obstructive Sleep Apnea (OSA), characterized by temporary pauses in breathing during sleep, poses a significant challenge in the field of healthcare. This research addresses the complexity of OSA, exploring not only its clinical manifestations but also investigating the details of associated biomedical signals, such as Electrocardiogram (ECG) and Heart Rate Variability (HRV). By incorporating machine learning techniques, the aim is to enhance the diagnosis and prediction of OSA, providing a more comprehensive understanding and treatment of this multifaceted medical challenge. In the detection process, classifiers such as Support Vector Machine (SVM), k-Nearest Neighbors (KNN), and Neural Network (NN) are employed. The results indicate that NN stood out in training, achieving an accuracy of 84.9%, while in testing, SVM recorded 82.9%. NN demonstrated effectiveness with 73.7% specificity in detecting normal breathing, contrasting with SVM's sensitivity of 94.7% in detecting apnea. Despite slightly lower performance in testing, KNN maintained equivalent levels of specificity compared to SVM. In the prediction phase, the implementation of Nonlinear AutoRegressive with eXogenous inputs (NARX) neural networks achieved 95% accuracy in training and 94.37% in testing. The sensitivity of 94.74% and specificity of 93.94% in the test highlighted the effectiveness of this approach in predicting moments of apnea and normal breathing. These results are valuable for advancing the detection and prediction of sleep apnea, underscoring the effectiveness of machine learning techniques and neural networks in this challenging clinical scenario.
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spelling 71Andreão, Rodrigo Varejãohttps://orcid.org/0000-0002-6800-5700http://lattes.cnpq.br/5589662366089944Salles, Evandro Ottoni Teatinihttps://orcid.org/0000-0002-8287-3045http://lattes.cnpq.br/5893731382102675Rocha, Jônatas de Lirahttp://lattes.cnpq.br/2972317382308733Ciarelli, Patrick Marqueshttps://orcid.org/0000-0003-3177-4028http://lattes.cnpq.br/1267950518719423Zago, Gabriel Tozattohttps://orcid.org/0000-0003-2228-6751http://lattes.cnpq.br/87710882494341042024-06-19T12:04:50Z2024-06-19T12:04:50Z2023-07-28Obstructive Sleep Apnea (OSA), characterized by temporary pauses in breathing during sleep, poses a significant challenge in the field of healthcare. This research addresses the complexity of OSA, exploring not only its clinical manifestations but also investigating the details of associated biomedical signals, such as Electrocardiogram (ECG) and Heart Rate Variability (HRV). By incorporating machine learning techniques, the aim is to enhance the diagnosis and prediction of OSA, providing a more comprehensive understanding and treatment of this multifaceted medical challenge. In the detection process, classifiers such as Support Vector Machine (SVM), k-Nearest Neighbors (KNN), and Neural Network (NN) are employed. The results indicate that NN stood out in training, achieving an accuracy of 84.9%, while in testing, SVM recorded 82.9%. NN demonstrated effectiveness with 73.7% specificity in detecting normal breathing, contrasting with SVM's sensitivity of 94.7% in detecting apnea. Despite slightly lower performance in testing, KNN maintained equivalent levels of specificity compared to SVM. In the prediction phase, the implementation of Nonlinear AutoRegressive with eXogenous inputs (NARX) neural networks achieved 95% accuracy in training and 94.37% in testing. The sensitivity of 94.74% and specificity of 93.94% in the test highlighted the effectiveness of this approach in predicting moments of apnea and normal breathing. These results are valuable for advancing the detection and prediction of sleep apnea, underscoring the effectiveness of machine learning techniques and neural networks in this challenging clinical scenario.A apneia obstrutiva do sono (AOS), caracterizada por pausas temporárias na respiração durante o sono apresenta um desafio significativo na área da saúde. Esta pesquisa aborda a complexidade da AOS, explorando não apenas suas manifestações clínicas, mas também investigando os detalhes dos sinais biomédicos associados, como Eletrocardiograma (ECG) e Variabilidade da Frequência Cardíaca (VFC). Ao incorporar técnicas de aprendizado de máquina, busca-se aprimorar o diagnóstico e a previsão da AOS, oferecendo uma visão mais completa na compreensão e tratamento desse desafio médico multifacetado. No processo de detecção, empregamos classificadores como Support Vector Machine (SVM), k-Nearest Neighbors (KNN) e Neural Network (NN). Os resultados indicam que o NN se destacou nos treinamentos, alcançando uma acurácia de 84,9%, enquanto nos testes o SVM registrou 82,9%. O NN demonstrou eficácia com 73,7% de especificidade na detecção de respiração normal, contrastando com a sensibilidade de 94,7% do SVM na detecção de apneia. Apesar do desempenho ligeiramente inferior nos testes, o KNN manteve níveis equivalentes de especificidade em relação ao SVM. Na fase de previsão, a implementação de redes neurais Nonlinear AutoRegressive with eXogenous inputs (NARX) atingiu 95% de acurácia no treinamento e 94,37% nos testes. A sensibilidade de 94,74% e a especificidade de 93,94% nos testes destacaram a eficácia dessa abordagem na previsão de momentos de apneia e respiração normal. Esses resultados são valiosos para o avanço na detecção e previsão da apneia do sono, sublinhando a eficácia das técnicas de aprendizado de máquina e redes neurais neste cenário clínico desafiador.CAPESTexthttp://repositorio.ufes.br/handle/10/17391porUniversidade Federal do Espírito SantoMestrado em Engenharia ElétricaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUFESBRCentro Tecnológicosubject.br-rjbnÁrea(s) do conhecimento do documento (Tabela CNPq)Aprendizado de máquinaApneia obstrutiva do sonoDetecção e previsãoEletrocardiogramaVariabilidade da frequência cardíacaDetecção e previsão da apneia obstrutiva do sono através da variabilidade da frequência cardíacatitle.alternativeinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)instname:Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)instacron:UFESemail@ufes.brORIGINALJonatasdeLiraRocha-2023-dissertacao.pdfJonatasdeLiraRocha-2023-dissertacao.pdfapplication/pdf1651618http://repositorio.ufes.br/bitstreams/7f6cccd5-0630-483b-92c9-7e5d55dd404f/download74140fe35bd81b3ab649cfe8d89c173eMD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.ufes.br/bitstreams/1eb81800-1a7f-4471-8f6f-d59c4dfb3520/download8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD5210/173912024-08-29 11:25:10.565oai:repositorio.ufes.br:10/17391http://repositorio.ufes.brRepositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufes.br/oai/requestopendoar:21082024-10-15T18:01:16.403384Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes) - Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)falseTk9URTogUExBQ0UgWU9VUiBPV04gTElDRU5TRSBIRVJFClRoaXMgc2FtcGxlIGxpY2Vuc2UgaXMgcHJvdmlkZWQgZm9yIGluZm9ybWF0aW9uYWwgcHVycG9zZXMgb25seS4KCk5PTi1FWENMVVNJVkUgRElTVFJJQlVUSU9OIExJQ0VOU0UKCkJ5IHNpZ25pbmcgYW5kIHN1Ym1pdHRpbmcgdGhpcyBsaWNlbnNlLCB5b3UgKHRoZSBhdXRob3Iocykgb3IgY29weXJpZ2h0Cm93bmVyKSBncmFudHMgdG8gRFNwYWNlIFVuaXZlcnNpdHkgKERTVSkgdGhlIG5vbi1leGNsdXNpdmUgcmlnaHQgdG8gcmVwcm9kdWNlLAp0cmFuc2xhdGUgKGFzIGRlZmluZWQgYmVsb3cpLCBhbmQvb3IgZGlzdHJpYnV0ZSB5b3VyIHN1Ym1pc3Npb24gKGluY2x1ZGluZwp0aGUgYWJzdHJhY3QpIHdvcmxkd2lkZSBpbiBwcmludCBhbmQgZWxlY3Ryb25pYyBmb3JtYXQgYW5kIGluIGFueSBtZWRpdW0sCmluY2x1ZGluZyBidXQgbm90IGxpbWl0ZWQgdG8gYXVkaW8gb3IgdmlkZW8uCgpZb3UgYWdyZWUgdGhhdCBEU1UgbWF5LCB3aXRob3V0IGNoYW5naW5nIHRoZSBjb250ZW50LCB0cmFuc2xhdGUgdGhlCnN1Ym1pc3Npb24gdG8gYW55IG1lZGl1bSBvciBmb3JtYXQgZm9yIHRoZSBwdXJwb3NlIG9mIHByZXNlcnZhdGlvbi4KCllvdSBhbHNvIGFncmVlIHRoYXQgRFNVIG1heSBrZWVwIG1vcmUgdGhhbiBvbmUgY29weSBvZiB0aGlzIHN1Ym1pc3Npb24gZm9yCnB1cnBvc2VzIG9mIHNlY3VyaXR5LCBiYWNrLXVwIGFuZCBwcmVzZXJ2YXRpb24uCgpZb3UgcmVwcmVzZW50IHRoYXQgdGhlIHN1Ym1pc3Npb24gaXMgeW91ciBvcmlnaW5hbCB3b3JrLCBhbmQgdGhhdCB5b3UgaGF2ZQp0aGUgcmlnaHQgdG8gZ3JhbnQgdGhlIHJpZ2h0cyBjb250YWluZWQgaW4gdGhpcyBsaWNlbnNlLiBZb3UgYWxzbyByZXByZXNlbnQKdGhhdCB5b3VyIHN1Ym1pc3Npb24gZG9lcyBub3QsIHRvIHRoZSBiZXN0IG9mIHlvdXIga25vd2xlZGdlLCBpbmZyaW5nZSB1cG9uCmFueW9uZSdzIGNvcHlyaWdodC4KCklmIHRoZSBzdWJtaXNzaW9uIGNvbnRhaW5zIG1hdGVyaWFsIGZvciB3aGljaCB5b3UgZG8gbm90IGhvbGQgY29weXJpZ2h0LAp5b3UgcmVwcmVzZW50IHRoYXQgeW91IGhhdmUgb2J0YWluZWQgdGhlIHVucmVzdHJpY3RlZCBwZXJtaXNzaW9uIG9mIHRoZQpjb3B5cmlnaHQgb3duZXIgdG8gZ3JhbnQgRFNVIHRoZSByaWdodHMgcmVxdWlyZWQgYnkgdGhpcyBsaWNlbnNlLCBhbmQgdGhhdApzdWNoIHRoaXJkLXBhcnR5IG93bmVkIG1hdGVyaWFsIGlzIGNsZWFybHkgaWRlbnRpZmllZCBhbmQgYWNrbm93bGVkZ2VkCndpdGhpbiB0aGUgdGV4dCBvciBjb250ZW50IG9mIHRoZSBzdWJtaXNzaW9uLgoKSUYgVEhFIFNVQk1JU1NJT04gSVMgQkFTRUQgVVBPTiBXT1JLIFRIQVQgSEFTIEJFRU4gU1BPTlNPUkVEIE9SIFNVUFBPUlRFRApCWSBBTiBBR0VOQ1kgT1IgT1JHQU5JWkFUSU9OIE9USEVSIFRIQU4gRFNVLCBZT1UgUkVQUkVTRU5UIFRIQVQgWU9VIEhBVkUKRlVMRklMTEVEIEFOWSBSSUdIVCBPRiBSRVZJRVcgT1IgT1RIRVIgT0JMSUdBVElPTlMgUkVRVUlSRUQgQlkgU1VDSApDT05UUkFDVCBPUiBBR1JFRU1FTlQuCgpEU1Ugd2lsbCBjbGVhcmx5IGlkZW50aWZ5IHlvdXIgbmFtZShzKSBhcyB0aGUgYXV0aG9yKHMpIG9yIG93bmVyKHMpIG9mIHRoZQpzdWJtaXNzaW9uLCBhbmQgd2lsbCBub3QgbWFrZSBhbnkgYWx0ZXJhdGlvbiwgb3RoZXIgdGhhbiBhcyBhbGxvd2VkIGJ5IHRoaXMKbGljZW5zZSwgdG8geW91ciBzdWJtaXNzaW9uLgo=
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