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https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/11105
Tipo: | Tese |
Título: | Inovação no Diagnóstico de Brucelose e Tuberculose Bovina: Métodos de Fotodiagnóstico Baseados em Espectroscopia FTIR e Machine Learning |
Autor(es): | THIAGO FRANCA DA SILVA |
Primeiro orientador: | Cicero Rafael Cena da Silva |
Resumo: | Brucelose e tuberculose bovina são zoonoses com grande impacto na saúde pública, saúde animal e economia. Causadas por bactérias dos gêneros Brucella e Mycobacterium, respectivamente, são transmitidas aos humanos principalmente por produtos de origem animal contaminados ou pelo contato direto com animais infectados. Este estudo avaliou o uso da espectroscopia FTIR (Infravermelho por Transformada de Fourier) associada ao aprendizado de máquina como ferramenta de triagem para o diagnóstico das infecções, utilizando amostras de soro sanguíneo bovino. O estudo investigou a influência das condições de preparação das amostras no desempenho da classificação, dividindo-se em três etapas. Inicialmente, foram comparadas amostras de um grupo Controle e grupo Brucelose (animais comprovadamente infectados pela bactéria Brucella abortus) utilizando duas abordagens: soro seco em estufa, método consolidado na literatura, e soro líquido com background em água deionizada, uma opção inovadora, prática e rápida. Em seguida, com amostras de soro líquido, foram realizadas classificações binárias entre Controle x Tuberculose (animais comprovadamente infectados pela bactéria Mycobacterium bovis) e Controle x Brucelose, permitindo a validação e otimização do modelo, preparando-o para a classificação multiclasse. Por fim, a classificação multiclasse foi aplicada para distinguir simultaneamente os três grupos (Controle x Brucelose x Tuberculose). Os resultados mostraram que o soro líquido teve desempenho superior ao soro seco, com acurácia e sensibilidade de 100% no diagnóstico de brucelose, superando métodos convencionais. Embora a acurácia para tuberculose tenha sido de 83,3%, a abordagem multiclasse alcançou 90,5% de acurácia e sensibilidade de até 100%, destacando a eficácia do método na diferenciação entre animais controle e infectados. A análise revelou a contribuição conjunta dos modos vibracionais de moléculas de diferentes grupos, como lipídios, proteínas e carboidratos. A combinação de espectroscopia FTIR com aprendizado de máquina, utilizando soro sanguíneo líquido com background em água deionizada, mostrou-se um método inovador, rápido e eficiente, dispensando etapas complexas de preparação de amostras, com potencial para diagnóstico in loco e controle dessas zoonoses, reduzindo sua disseminação entre animais e humanos. Palavras-chave: Brucelose bovina, Tuberculose bovina, Espectroscopia FTIR, Aprendizado de máquina, Diagnóstico in loco. |
Abstract: | Bovine brucellosis and tuberculosis are zoonotic diseases with significant impacts on public health, animal health, and the economy. Caused by bacteria of the genera Brucella and Mycobacterium, respectively, these diseases are primarily transmitted to humans through contaminated animal-derived products or direct contact with infected animals. This study evaluated the use of Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy combined with machine learning as a screening tool for diagnosing these infections using bovine blood serum samples. The study investigated the influence of sample preparation conditions on classification performance, divided into three stages. Initially, samples from a Control group and a Brucellosis group (animals confirmed to be infected with Brucella abortus) were compared using two approaches: oven-dried serum, a well-established method in the literature, and liquid serum with a deionized water background, an innovative, practical, and rapid alternative. Subsequently, with liquid serum samples, binary classifications were conducted between Control vs. Tuberculosis (animals confirmed to be infected with Mycobacterium bovis) and Control vs. Brucellosis, enabling model validation and optimization for multiclass classification. Finally, multiclass classification was applied to simultaneously distinguish among the three groups (Control vs. Brucellosis vs. Tuberculosis). The results demonstrated that liquid serum outperformed dried serum, achieving 100% accuracy and sensitivity in diagnosing brucellosis, surpassing conventional methods. Although the accuracy for tuberculosis was 83.3%, the multiclass approach achieved 90.5% accuracy and up to 100% sensitivity, underscoring the method's effectiveness in differentiating between control and infected animals. The analysis revealed the joint contribution of vibrational modes from molecules belonging to different groups, such as lipids, proteins, and carbohydrates. The combination of FTIR spectroscopy with machine learning, using liquid blood serum with a deionized water background, proved to be an innovative, rapid, and efficient method, eliminating complex sample preparation steps. This approach holds potential for on-site diagnostics and the control of these zoonoses, reducing their spread among animals and humans. Keywords: Bovine brucellosis, Bovine tuberculosis, FTIR spectroscopy, Machine learning, Onsite diagnosis. |
Palavras-chave: | Brucelose Tuberculose Bovina Espectroscopia FTIR |
País: | Brasil |
Editor: | Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul |
Sigla da Instituição: | UFMS |
Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
URI: | https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/11105 |
Data do documento: | 2025 |
Aparece nas coleções: | Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais |
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