Classificação etiológica de úlceras vasculares por modelos híbridos de deep learning explicáveis: estudo transversal

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Dissertação de mestrado

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Túlio Pinho Navarro, Marco Antônio Percope de Andrade, Rina Maria Pereira Porta, Moisés Henrique Ramos Pereira

Resumo

Introdução: A classificação etiológica de úlceras vasculares representa um desafio clínico relevante devido à sobreposição morfológica entre suas principais causas — venosa, arterial e neuropática. Métodos baseados em deep learning têm demonstrado potencial na análise de imagens médicas; contudo, questões relacionadas à interpretabilidade e confiabilidade probabilística ainda limitam sua adoção clínica. Objetivo: Desenvolver e avaliar um modelo de inteligência artificial baseado em arquitetura híbrida CNN–Transformer para classificação etiológica de úlceras vasculares a partir de imagens clínicas, integrando mecanismos de explicabilidade e calibração probabilística. Métodos: Estudo transversal utilizando imagens clínicas de pacientes com úlceras vasculares. Foi aplicado particionamento rigoroso em nível de paciente (patient-level split) para evitar vazamento de dados. O modelo híbrido CNN–Transformer foi treinado com transfer learning e avaliado por métricas de desempenho (acurácia, F1-macro, AUC-ROC), além de métricas de calibração (ECE e Brier Score). A interpretabilidade foi explorada por meio de Grad-CAM, SHAP e LIME. Resultados: O modelo apresentou desempenho clinicamente consistente nos cenários binários, com melhor separabilidade entre etiologias mais distintas. A calibração probabilística reduziu significativamente o erro esperado de calibração. As análises de explicabilidade demonstraram foco em regiões morfologicamente relevantes, especialmente na pele perilesional em úlceras venosas. Conclusão: A arquitetura proposta demonstrou viabilidade para classificação etiológica baseada exclusivamente em imagens, com integração de mecanismos de IA confiável (Trustworthy AI). Embora limitada pela ausência de validação externa e integração multimodal, a abordagem representa um passo metodologicamente rigoroso na aplicação translacional de inteligência artificial em cirurgia vascular.

Abstract

Introduction: The etiological classification of vascular ulcers represents a significant clinical challenge due to morphological overlap among their main causes — venous, arterial, and neuropathic. Deep learning–based methods have shown promise in medical image analysis; however, concerns regarding interpretability and probabilistic reliability continue to limit their clinical adoption. Objective: To develop and evaluate an artificial intelligence model based on a hybrid CNN–Transformer architecture for the etiological classification of vascular ulcers using clinical images, integrating explainability mechanisms and probabilistic calibration. Methods: A cross-sectional study was conducted using clinical images from patients with vascular ulcers. A strict patient-level split was applied to prevent data leakage. The hybrid CNN–Transformer model was trained using transfer learning and evaluated with performance metrics (accuracy, F1-macro, and AUC-ROC), as well as calibration metrics (Expected Calibration Error and Brier Score). Interpretability was explored using Grad-CAM, SHAP, and LIME. Results: The model demonstrated clinically consistent performance in binary classification scenarios, with improved separability between more distinct etiologies. Probabilistic calibration significantly reduced the expected calibration error. Explainability analyses indicated model attention focused on morphologically relevant regions, particularly the perilesional skin in venous ulcers. Conclusion: The proposed architecture demonstrated feasibility for etiological classification based solely on clinical images, incorporating trustworthy AI mechanisms. Although limited by the absence of external validation and multimodal integration, this approach represents a methodologically rigorous step toward the translational application of artificial intelligence in vascular surgery.

Assunto

Inteligência Artificial, Aprendizagem Profunda, Úlcera da Perna, Úlcera Varicosa, Dissertação Acadêmica

Palavras-chave

Úlcera venosa, Úlcera arterial, Úlcera neuropática, Visão computacional, Deep learning, Interpretabilidade, Redes neurais convolucionais, Inteligência artificial, Calibração probabilística, XAI

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