Modelo de aprendizado de máquina com fronteira de decisão fechada para identificação de carcinoma hepatocelular inicial

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2018
Autor(a) principal: Thomaz, Ricardo de Lima
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de Uberlândia
Brasil
Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/21274
http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2018.769
Resumo: Hepatocellular carcinoma is the fifth most common and the third most deadly type among all cancers. Its early detection is of high relevance since curative treatments can be used. Thus, computer systems available in the literature aim to aid in the diagnosis of hepatic lesions in computed tomography. Among the methods for automatic detection, the use of autoencoders for characterizing the hepatic parenchyma and searching lesions show good results. However, this search will not necessarily result in the detection of lesions. Thus, we hypothesized that the use of a one-class model that characterizes early HCC as a fitness function of a metaheuristic will allow the identification of lesions in CT scans. For this, we proposed the use of an ensemble of one-class support vector machines (EOCSVM) to characterize early HCC. By using these models as the fitness function of a Particle Swarm Optimization algorithm, regions with a high probability of early HCC were detected. After evaluating 28 exams by a cross-validation method, 97.05% of the lesions were correctly detected by the EOCSVM model that prioritized the minimization of false negatives. Models prioritizing F-Score and false positives resulted in 89.70% and 82.35% of lesions detected, respectively. By evaluating the results at the point of maximum sensitivity, the EOCSVMFN resulted in an average of 3.91 false positive cases per exam, similarly to the state-of-the-art. The areas under the ROC curves for the models prioritizing FN, F-Score and FP resulted in 0.94, 0.84 and 0.82, respectively. Therefore, the results allowed us to confirm the hypothesis that the use of an OCSVM model characterizing early HCC as a PSO fitness function allows the detection of early HCC in CT exams. As the main scientific contribution, this thesis introduced the use of closed decision boundary models as fitness function of an optimization algorithm with the focus on detecting regions of interest.
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Among the methods for automatic detection, the use of autoencoders for characterizing the hepatic parenchyma and searching lesions show good results. However, this search will not necessarily result in the detection of lesions. Thus, we hypothesized that the use of a one-class model that characterizes early HCC as a fitness function of a metaheuristic will allow the identification of lesions in CT scans. For this, we proposed the use of an ensemble of one-class support vector machines (EOCSVM) to characterize early HCC. By using these models as the fitness function of a Particle Swarm Optimization algorithm, regions with a high probability of early HCC were detected. After evaluating 28 exams by a cross-validation method, 97.05% of the lesions were correctly detected by the EOCSVM model that prioritized the minimization of false negatives. Models prioritizing F-Score and false positives resulted in 89.70% and 82.35% of lesions detected, respectively. By evaluating the results at the point of maximum sensitivity, the EOCSVMFN resulted in an average of 3.91 false positive cases per exam, similarly to the state-of-the-art. The areas under the ROC curves for the models prioritizing FN, F-Score and FP resulted in 0.94, 0.84 and 0.82, respectively. Therefore, the results allowed us to confirm the hypothesis that the use of an OCSVM model characterizing early HCC as a PSO fitness function allows the detection of early HCC in CT exams. As the main scientific contribution, this thesis introduced the use of closed decision boundary models as fitness function of an optimization algorithm with the focus on detecting regions of interest.CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoTese (Doutorado)O carcinoma hepatocelular é o quinto tipo mais comum e o terceiro mais mortal entre todos os tipos de cânceres. A detecção precoce desta lesão é de alta relevância, uma vez que tratamentos curativos podem ser utilizados. Assim, sistemas propostos na literatura visam auxiliar o diagnóstico de lesões hepáticas em tomografia computadorizada. Entre os métodos para detecção automática, o uso de autoencoders para caracterização do parênquima hepático e busca sequencial de lesões apresenta bons resultados. Entretanto, a busca por regiões distintas do parênquima hepático não necessariamente resultará na detecção de lesões. Desta forma, foi levantada a hipótese de que o uso de um modelo de uma classe que caracteriza o CHC inicial como função de aptidão de uma meta-heurística permitirá a identificação de lesões em exames de CT. Para isso, foi proposto o uso de um conjunto de máquinas de vetores de suporte de uma classe (EOCSVM) para caracterizar o CHC inicial em um espaço de atributos previamente selecionado. Por meio do uso destes modelos como função de aptidão de uma otimização por enxame de partículas, foi feita a detecção de regiões com alta probabilidade de conter um CHC inicial. Após a avaliação de 28 exames por um método de validação cruzada, 97,05% das lesões foram corretamente detectadas pelo modelo EOCSVM que priorizou a minimização de falso-negativos. Os modelos priorizando F-Score e falso-positivos resultaram em 89,70% e 82,35% de lesões detectadas, respectivamente. Avaliando os resultados no ponto de máxima sensibilidade, o EOCSVMFN resultou em uma média de 3,91 casos de falso-positivos por exame, similar ao estado da arte. As áreas abaixo das curvas ROC para os modelos priorizando FN, F-Score e FP resultaram em 0.94, 0.84 e 0.82, respectivamente. Portanto, os resultados apresentados permitiram confirmar a hipótese de que o uso de um modelo OCSVM caracterizando CHC inicial como função de aptidão de um PSO possibilita a detecção de CHC inicial em exames de CT. Como principal contribuição científica, esta tese introduziu o uso de modelos de fronteira de decisão fechada como função de aptidão de um algoritmo de otimização com o foco em detecção de regiões de interesse.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em Engenharia ElétricaPatrocinio, Ana ClaudiaSoares, Alcimar Barbosahttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4782970Z5Macedo, Tulio Augusto Alveshttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4766087J5Carvalho, André Carlos Ponce de Leon Ferreira dehttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4788511Y6Silva, Ana Maria Marques dahttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4780853A7Thomaz, Ricardo de Lima2018-05-03T17:55:58Z2018-05-03T17:55:58Z2018-04-11info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfTHOMAZ, Ricardo de Lima. Modelo de aprendizado de máquina com fronteira de decisão fechada para identificação de carcinoma hepatocelular inicial. 2018. 179 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2018.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/21274http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2018.769porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2018-05-03T17:55:59Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/21274Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2018-05-03T17:55:59Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false
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description Hepatocellular carcinoma is the fifth most common and the third most deadly type among all cancers. Its early detection is of high relevance since curative treatments can be used. Thus, computer systems available in the literature aim to aid in the diagnosis of hepatic lesions in computed tomography. Among the methods for automatic detection, the use of autoencoders for characterizing the hepatic parenchyma and searching lesions show good results. However, this search will not necessarily result in the detection of lesions. Thus, we hypothesized that the use of a one-class model that characterizes early HCC as a fitness function of a metaheuristic will allow the identification of lesions in CT scans. For this, we proposed the use of an ensemble of one-class support vector machines (EOCSVM) to characterize early HCC. By using these models as the fitness function of a Particle Swarm Optimization algorithm, regions with a high probability of early HCC were detected. After evaluating 28 exams by a cross-validation method, 97.05% of the lesions were correctly detected by the EOCSVM model that prioritized the minimization of false negatives. Models prioritizing F-Score and false positives resulted in 89.70% and 82.35% of lesions detected, respectively. By evaluating the results at the point of maximum sensitivity, the EOCSVMFN resulted in an average of 3.91 false positive cases per exam, similarly to the state-of-the-art. The areas under the ROC curves for the models prioritizing FN, F-Score and FP resulted in 0.94, 0.84 and 0.82, respectively. Therefore, the results allowed us to confirm the hypothesis that the use of an OCSVM model characterizing early HCC as a PSO fitness function allows the detection of early HCC in CT exams. As the main scientific contribution, this thesis introduced the use of closed decision boundary models as fitness function of an optimization algorithm with the focus on detecting regions of interest.
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