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Modelos de detecção de tuberculose ativa via imagens de raio X utilizando curvas principais

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Universidade Federal de Lavras

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Programa de Pós-Graduação de Mestrado em Engenharia de Sistemas e Automação

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Tecnológico

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Saúde
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Resumo

A Tuberculose (TB) permanece como uma das doenças infecciosas mais letais do mundo, sobretudo em regiões de baixa e média renda, onde o acesso a sistemas de saúde eficientes ainda é limitado. Quando não diagnosticada precocemente, a doença pode evoluir para quadros graves, levando ao óbito ou gerando sequelas significativas no sistema respiratório, o que reforça a necessidade de aprimoramento contínuo das ferramentas de triagem e diagnóstico, especialmente diante do aumento no volume de exames e da demanda por métodos rápidos, robustos e acessíveis. Nesta dissertação é proposto e avaliado um método de inteligência computacional para detecção de tuberculose por meio da análise de imagens de Raio X do tórax, cujo diferencial é seu caráter parcimonioso, privilegiando simplicidade, reduzido número de parâmetros e baixa complexidade computacional, alinhando-se às diretrizes contemporâneas da IA Sustentável (Green AI), que ressaltam a importância de sistemas energeticamente eficientes e com baixa pegada do carbono. O método integra a técnica de Curvas Principais (CP), utilizada como mecanismo especialista para extrair estruturas geométricas relevantes das imagens. O método principal usa a Análise de Componentes Principais (PCA), responsável pela redução de dimensionalidade e preservação da variabilidade do conjunto de dados(CPE+PCA), mas foi testado um método utilizando SVD para redução de dimensões(CPE+SVD), um onde só se utilizou as curvas principais(CPE-Solo), e por fim um onde se utilizou uma Resnet-50 para extração de características em conjunto das curvas principais e Análise de Componentes Principais (CPE+Resnet+PCA). Para a avaliação, empregou-se um banco de dados amplamente utilizado na literatura, o TBX11K, composto por três classes: pacientes com tuberculose (800 imagens), com outras doenças pulmonares (3.800 imagens) e indivíduos saudáveis (3.800 imagens), permitindo simular um cenário realista de triagem clínica. Os resultados indicaram acurácia de 0,87 e uma precisão para TB de 0.69, tempo médio de processamento de 0,020 segundos por imagem e pegada de carbono de 0.010 kg de CO2-eq e um gasto de energia de 0.065 kWh, valores competitivos frente a métodos mais complexos baseados em aprendizado profundo, sobretudo considerando o baixo custo computacional e a elevada eficiência energética. Esses achados demonstram que a abordagem proposta oferece uma alternativa promissora para aplicações em contextos com recursos limitados e reforçam a viabilidade de desenvolver soluções de diagnóstico assistido que sejam simultaneamente precisas, eficientes e ambientalmente responsáveis, contribuindo para o avanço das aplicações de inteligência artificial na saúde. Palavras-chave: Tuberculose; Inteligência Artificial; Curva Principal; K-Segmentos, Análise de Imagens, Ética, IA Sustentável

Abstract

Tuberculosis (TB) remains one of the most lethal infectious diseases worldwide, particularly in low- and middle-income regions where access to efficient healthcare systems is still limited. When not diagnosed early, the disease can progress to severe stages, leading to death or causing significant long-term respiratory sequelae, which reinforces the need for continuous improvement of screening and diagnostic tools, especially given the increasing volume of examinations and the demand for methods that are fast, robust, and accessible. This dissertation proposes and evaluates a computational intelligence method for tuberculosis detection using chest Xray image analysis, whose main distinguishing feature is its parsimonious nature, emphasizing simplicity, a reduced number of parameters, and low computational complexity, aligning with contemporary Green AI principles that highlight the importance of energy-efficient systems with minimal environmental impact. The principal method integrates the Principal Curves (PC) technique, employed as a specialist mechanism to extract relevant geometric structures from images, with Principal Component Analysis (PCA), responsible for dimensionality reduction while preserving essential variability in the dataset(CPE+PCA), but was also tested a method using SVD for reduction of dimensions (CPE+SVD), one where it was only used principal curves (CPE-Solo), and finally one where was utilized a Resnet-50 for feature extraction together with principal cuves and Principal Component Analysis (CPE+Resnet+PCA). For evaluation, a widely referenced database was used, the TBX11K, containing three classes: tuberculosis patients (800 images), patients with other pulmonary diseases (3,800 images), and healthy individuals (3,800 images), enabling the simulation of a realistic clinical screening scenario. The results indicated an accuracy of 0.87, a precision of 0.69 for TB, an average processing time of 0.020 seconds per image, and a carbon footprint of 0.010 kg of CO2-eq and an energy expenditure of 0.065 kWh, values that are competitive when compared to more complex deep learning-based methods, particularly given the model’s low computational cost and high energy efficiency. These findings demonstrate that the proposed approach offers a promising alternative for applications in resource-constrained settings and reinforce the feasibility of developing assisted diagnostic solutions that are simultaneously accurate, efficient, and environmentally responsible, contributing to the advancement of artificial intelligence applications in healthcare. Keywords: Tuberculosis; Artificial intelligence; Main Curve; K-Segments, Image Analysis, Ethics, Green AI

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Área de concentração

Engenharia de sistemas e automação

Linha de pesquisa

Sistemas inteligentes

Agência de desenvolvimento

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CASTRO, Davi Horner Hoe de. Modelos de detecção de tuberculose ativa via imagens de raio X utilizando curvas principais. 2025. 73 p. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Lavras, 2025.

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