30 de setembro de 2026
Transfer Learning em Visão Computacional para a Classificação de Estágios do Alzheimer com MRI.
Transfer Learning em Visão Computacional para a Classificação de Estágios do Alzheimer com Mri.
André Pirini Spadaro; Gabriel Gomes de Oliveira
DOI: 10.22167/2675-6528-202602694
Artigo derivado de Trabalho de Conclusão de Curso (TCC), com conteúdo baseado no trabalho original do aluno e adaptado ao formato editorial da Revista E&S com apoio da ferramenta ResumeAI, solução de inteligência artificial desenvolvida pelo Instituto Pecege para síntese e organização textual.
Resumo
A doença de Alzheimer é um dos maiores desafios da saúde global, sendo o diagnóstico precoce e preciso crucial para o manejo do paciente. Desenvolveu-se e validou-se um modelo de aprendizado profundo para a classificação automática dos quatro estágios da doença, utilizando 6400 imagens de ressonância magnética cerebral (MRI). Empregou-se a metodologia de aprendizado por transferência, com a arquitetura de Rede Neural Convolucional (CNN) ResNet18 pré-treinada. O modelo foi treinado em duas fases, extração de características seguidas de ajuste fino (fine-tuning), sobre um banco de dados público dividido em conjuntos de treino, validação e teste, sem informações adicionais sobre os pacientes. Os resultados no conjunto de teste foram promissores, alcançando uma acurácia geral de 99,3% e um coeficiente Kappa de Cohen de 0,988. O modelo demonstrou notável capacidade de generalização, identificando perfeitamente a classe mais rara, Alzheimer Moderado, com precisão e sensibilidade de 1,000. Concluiu-se que a abordagem é altamente eficaz e possui grande potencial como ferramenta de apoio ao diagnóstico clínico da doença de Alzheimer, contribuindo para a melhoria da qualidade de vida dos pacientes por meio da descoberta precoce.
Palavras-chave: Aprendizado Profundo; Redes Neurais Convolucionais (CNN); ResNet18; Ressonância Magnética Cerebral (MRI); Transfer Learning.
1. Introdução
A doença de Alzheimer (DA) é reconhecida como a principal causa de transtorno neurocognitivo maior em escala global. Com o progressivo envelhecimento da população mundial, a prevalência da DA demonstra uma tendência de aumento exponencial, intensificando o impacto social, econômico e emocional sobre os pacientes, suas famílias e os sistemas de saúde (Organização Mundial da Saúde, 2023). Neste contexto, o diagnóstico precoce e a classificação precisa dos estágios da doença tornam-se cruciais, pois possibilitam a implementação de estratégias terapêuticas que podem retardar a progressão dos sintomas e otimizar o planejamento do cuidado ao paciente (Alzheimer’s Association, 2022).
Fisiopatologicamente, a doença de Alzheimer é caracterizada por dois marcadores neuropatológicos primários: o acúmulo extracelular de placas formadas pelo peptídeo beta-amiloide (Aβ) e a formação de emaranhados neurofibrilares intracelulares, resultantes da hiperfosforilação da proteína Tau (BERTRAM et al., 2005; HAINFELLNER et al., 1998). A agregação da proteína Tau hiperfosforilada compromete a integridade celular e o transporte axonal, culminando em disfunção sináptica e morte neuronal (GUPTA et al., 2010). Esse processo de agressão celular dual leva à atrofia cerebral progressiva, que é macroscopicamente visível em imagens de Ressonância Magnética (MRI) e serve como um dos principais biomarcadores para o diagnóstico e estadiamento da doença, justificando o emprego de métodos computacionais para sua detecção.
Os métodos de diagnóstico atuais frequentemente integram imagens de MRI com o histórico clínico do paciente e testes neuropsicológicos. Contudo, a interpretação dessas imagens depende da experiência do radiologista e do médico, o que pode ser particularmente desafiador nos estágios iniciais da doença, onde as alterações cerebrais são sutis (Jack Jr. et al., 2018). Estudos clínico-patológicos indicam que a sensibilidade diagnóstica dos clínicos varia entre 70,9% e 87,3%, e a especificidade entre 44,3% e 70,8% (BEACH et al., 2012), evidenciando a necessidade de ferramentas complementares que melhorem a precisão e a objetividade do diagnóstico.
A inteligência artificial (IA), e mais especificamente a visão computacional, emergiu como uma aliada promissora na medicina diagnóstica. Com o desenvolvimento de modelos de aprendizado profundo (deep learning), como as redes neurais convolucionais (CNNs), tornou-se viável criar sistemas capazes de identificar padrões complexos em imagens médicas com um nível de precisão que pode ser comparável ou superior ao de especialistas humanos (Litjens et al., 2017). A aplicação de CNNs na análise de imagens de MRI para a detecção e classificação da DA tem sido documentada em diversos trabalhos, demonstrando o potencial desses algoritmos para auxiliar no diagnóstico (Jo et al., 2019).
Entretanto, o treinamento de uma CNN de alta acurácia a partir do zero exige um volume substancial de dados, o que é frequentemente uma limitação no contexto médico devido à escassez de dados publicamente disponíveis. Para contornar essa restrição, a metodologia de aprendizado por transferência (transfer learning) é reconhecida como uma abordagem padrão-ouro. Essa técnica envolve a utilização de uma rede neural pré-treinada em um grande conjunto de dados, como o ImageNet, e sua adaptação para uma nova tarefa específica (SHIN et al., 2016). Arquiteturas como a ResNet, que incorporam conexões residuais para otimizar o fluxo de gradientes, têm se mostrado eficazes nesta aplicação, permitindo o treinamento de redes profundas (HE et al., 2016; RAMALHO et al., 2024).
Diante da crescente prevalência da doença de Alzheimer e das limitações inerentes aos métodos diagnósticos tradicionais, a aplicação de técnicas avançadas de inteligência artificial, como o aprendizado por transferência, apresenta um caminho promissor para o aprimoramento do diagnóstico. Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento, treinamento e validação de um modelo de aprendizado profundo, baseado na metodologia de Transfer Learning com a arquitetura ResNet18, para a classificação automática dos quatro estágios da doença de Alzheimer: Sem Alzheimer, Alzheimer Muito Leve, Alzheimer Leve e Alzheimer Moderado, a partir de MRI, visando a criação de uma ferramenta computacional de alta acurácia para o apoio ao diagnóstico clínico.
2. Material e Métodos
O presente estudo caracterizou-se como uma pesquisa de natureza aplicada, com abordagem metodológica quantitativa, focada no desenvolvimento e validação de um modelo de aprendizado profundo. O objetivo central foi a classificação automática dos quatro estágios da doença de Alzheimer, a saber: Sem Alzheimer, Alzheimer Muito Leve, Alzheimer Leve e Alzheimer Moderado, utilizando imagens de ressonância magnética cerebral (MRI) como objeto empírico.
O conjunto de dados empregado foi obtido da plataforma de ciência de dados Kaggle, intitulado “Alzheimer’s Dataset (4 class of Images)” (SINGH, 2019). Este dataset público compreendeu um total de 6.400 imagens de MRI cerebral. A distribuição das imagens por classe foi a seguinte: 3.200 imagens para Sem Alzheimer (50%), 2.240 para Alzheimer Muito Leve (35%), 896 para Alzheimer Leve (14%) e 64 para Alzheimer Moderado (1%). A distribuição desbalanceada das classes foi um fator considerado na estratégia de divisão e avaliação dos dados.
Para o pré-processamento e estruturação dos dados, a totalidade das 6.400 imagens foi dividida programaticamente em três conjuntos independentes: treino, validação e teste. Utilizou-se a função `train_test_split` da biblioteca Scikit-learn (versão 1.3.2) com estratificação (70/10/20), garantindo a preservação da proporção original de cada classe em todos os subconjuntos. Os conjuntos foram compostos por 4.480 imagens para treino (70%), 640 para validação (10%) e 1.280 para teste (20%). Para assegurar a reprodutibilidade, uma semente de aleatoriedade global (seed = 42) foi aplicada.
Adicionalmente, técnicas de aumento de dados (data augmentation) foram aplicadas dinamicamente ao conjunto de treino para mitigar o sobreajuste e aprimorar a capacidade de generalização do modelo. As transformações incluíram rotações aleatórias de até 15 graus e espelhamentos horizontais. Todas as imagens foram redimensionadas para 224×224 pixels. Posteriormente, os valores dos pixels foram convertidos para o intervalo [0, 1] e normalizados utilizando a média e o desvio padrão dos canais de cor do dataset ImageNet, procedimento padrão em aprendizado por transferência.
O ambiente de desenvolvimento utilizado foi a plataforma Google Colaboratory (Colab), na versão Pro, que disponibilizou uma Unidade de Processamento Gráfico (GPU) NVIDIA A100-SXM4-80GB. O desenvolvimento foi realizado na linguagem de programação Python (versão 3.10.12), com o suporte de bibliotecas de código aberto. As principais bibliotecas incluíram PyTorch (versão 2.3.0+cu121) para construção e treinamento da rede neural, Torchvision (versão 0.18.0+cu121) para acesso a datasets e arquiteturas pré-treinadas, Pandas (versão 2.0.3) para manipulação de dados tabulares, Matplotlib (versão 3.7.1) e Seaborn (versão 0.13.1) para visualizações gráficas, e Numpy (versão 1.25.2) para computação numérica.
A metodologia central do projeto foi o aprendizado por transferência (transfer learning), uma estratégia consolidada para cenários com conjuntos de dados limitados (SHIN et al., 2016). Um modelo pré-treinado em uma tarefa de classificação de milhares de objetos distintos do dataset ImageNet foi reutilizado como ponto de partida. Essa abordagem permitiu aproveitar a capacidade da rede de extrair características visuais genéricas, acelerando o aprendizado para a nova tarefa e combatendo o sobreajuste em um dataset limitado.
A arquitetura base selecionada foi a ResNet18, uma rede neural convolucional de 18 camadas (HE et al., 2016). A família ResNet, ou Residual Networks, introduziu as conexões residuais (skip connections), que permitem que a saída de uma camada anterior seja somada diretamente à saída de uma camada posterior. Esse mecanismo cria um “atalho” para o fluxo de informações, otimizando o fluxo de gradientes e possibilitando o treinamento de redes muito profundas sem o problema do desaparecimento do gradiente.
A arquitetura original da ResNet18 foi modificada para a tarefa específica. A camada de classificação original, projetada para as 1000 categorias do ImageNet, foi removida. Em seu lugar, adicionou-se uma “cabeça” de classificação customizada, adaptada para as quatro classes da doença de Alzheimer. Esta “cabeça” foi composta por uma camada densa com 512 neurônios de entrada e 128 de saída, utilizando a função de ativação ReLU. Seguiu-se uma camada de dropout com probabilidade de 0,20 (SRIVASTAVA et al., 2014) para regularização, e uma camada densa final com 128 neurônios de entrada e 4 de saída, correspondendo ao número de classes, com função de ativação Softmax.
O treinamento do modelo foi realizado em duas fases distintas. Na Fase 1, denominada Extração de Características (10 épocas), a base ResNet18 foi mantida “congelada” (seus pesos pré-treinados não foram alterados), e o treinamento focou exclusivamente na “cabeça” de classificação customizada. Utilizou-se o otimizador Adam (KINGMA; BA, 2014) com uma taxa de aprendizado inicial de 0.001. Na Fase 2, de Ajuste Fino (fine-tuning, 15 épocas), todas as camadas do modelo (base ResNet e cabeça customizada) foram “descongeladas”, permitindo ajustes em todos os pesos com uma taxa de aprendizado drasticamente menor de 0.0001. Essa estratégia visou refinar o modelo para a tarefa específica, evitando o “esquecimento catastrófico” do conhecimento pré-treinado.
A função de perda empregada para quantificar o erro do modelo durante o treinamento foi a Entropia Cruzada Categórica (CrossEntropyLoss no PyTorch). O otimizador Adam (Adaptive Moment Estimation) foi responsável por ajustar os pesos do modelo, adaptando a taxa de aprendizado para cada parâmetro da rede, o que contribuiu para uma convergência mais rápida e estável do modelo.
A performance do modelo final foi avaliada rigorosamente no conjunto de teste, que consistiu em dados inéditos para o modelo. As métricas de avaliação calculadas incluíram acurácia global, precisão, sensibilidade (recall), especificidade, F1-Score, curva ROC, AUC (área sob a curva), índice de Youden, coeficiente Kappa de Cohen e coeficiente de correlação de Matthews (MCC). A matriz de confusão também foi utilizada para sumarizar a performance do algoritmo de classificação.
3. Resultados e Discussão
A avaliação do modelo de aprendizado profundo para a classificação dos estágios da doença de Alzheimer, utilizando imagens de ressonância magnética cerebral (MRI), revelou um desempenho excepcional, validando a abordagem de aprendizado por transferência com a arquitetura ResNet18. O processo de desenvolvimento foi realizado no ambiente Google Colaboratory, que, com o auxílio de uma GPU NVIDIA A100-SXM4-80GB, permitiu um tempo de treinamento notavelmente eficiente de 2 minutos e 48 segundos. O modelo final incorporou um total de 11.178.564 parâmetros treináveis, demonstrando a complexidade e a capacidade de aprendizado da rede neural convolucional adaptada.
O treinamento do modelo foi estruturado em duas fases distintas, visando otimizar a extração de características e o ajuste fino. Na primeira fase, que compreendeu as dez primeiras épocas, a base ResNet18 foi mantida “congelada”, ou seja, seus pesos pré-treinados não foram alterados. Este estágio inicial focou no ajuste da “cabeça” de classificação customizada, permitindo que ela se adaptasse de forma estável às características genéricas já aprendidas pela ResNet. Observou-se um rápido aprendizado, com a acurácia de validação apresentando uma ascensão consistente e a perda diminuindo progressivamente, indicando uma adaptação eficaz do classificador.
A segunda fase, iniciada a partir da décima época, envolveu o “descongelamento” de todas as camadas do modelo, incluindo a base ResNet e a cabeça customizada, e o prosseguimento do treinamento com uma taxa de aprendizado drasticamente reduzida (0.0001). Essa estratégia de fine-tuning resultou em um salto significativo na performance, com as curvas de acurácia de treino e validação convergindo para níveis acima de 95%. A proximidade entre essas curvas ao final do processo é um indicativo robusto de que o modelo alcançou um excelente ponto de generalização, mitigando o risco de sobreajuste (overfitting), um desafio comum em modelos de aprendizado profundo com conjuntos de dados limitados.
A análise da evolução da acurácia e da perda durante o treinamento confirmou a correlação inversa esperada: à medida que a perda diminuía, a acurácia aumentava, tanto nos conjuntos de treino quanto de validação. A estratégia de duas fases para a taxa de aprendizagem, com uma taxa mais alta na fase inicial e uma redução drástica na fase de ajuste fino, foi crucial para essa convergência suave e eficaz. Embora a classe Alzheimer Leve tenha exibido maior variabilidade inicial no F1-Score durante o fine-tuning, todas as classes demonstraram melhoria significativa e convergência para alta performance, refletindo a robustez do método.
A avaliação final do modelo foi conduzida em um conjunto de teste composto por 1.280 imagens, que eram completamente inéditas para o modelo, garantindo uma aferição imparcial de sua capacidade preditiva. Os resultados quantitativos obtidos foram excepcionais, com uma acurácia global de 99,3%. Este valor elevado, juntamente com uma média ponderada do F1-Score de 0,993, confirma o excelente equilíbrio do modelo em todas as classes, indicando que o sistema é capaz de manter alta precisão e sensibilidade simultaneamente, mesmo em um cenário de classes desbalanceadas.
A especificidade, com uma média ponderada de 0,994, demonstrou a alta capacidade do modelo em identificar corretamente os casos negativos, ou seja, pacientes sem Alzheimer, minimizando a ocorrência de falsos positivos. Este aspecto é particularmente relevante no contexto clínico, onde um diagnóstico incorreto pode gerar ansiedade desnecessária e procedimentos invasivos. O índice de Youden, que integra sensibilidade e especificidade, também apresentou um valor elevado de 0,987 na média ponderada, reforçando a excelente capacidade diagnóstica geral do modelo e sua utilidade como ferramenta de apoio.
O coeficiente Kappa de Cohen, que corrige a concordância que ocorreria por acaso, atingiu 0,988, indicando uma concordância quase perfeita entre as predições do modelo e os rótulos reais. Este valor é significativamente alto e superior ao limite de 0,80, que já denota uma concordância quase perfeita, atestando a robustez do aprendizado do modelo e que seus resultados não são meramente aleatórios ou influenciados pelo desbalanceamento das classes. Complementarmente, o Coeficiente de Correlação de Matthews (MCC) de 0,988, considerado uma das métricas mais informativas para datasets desbalanceados, também apontou para uma predição quase perfeita, levando em conta todos os tipos de resultados (verdadeiros positivos, verdadeiros negativos, falsos positivos e falsos negativos).
A análise detalhada por classe revelou que a classe “Sem Alzheimer” obteve uma precisão de 0,988 e sensibilidade de 1,000, com F1-Score de 0,994. Para “Alzheimer Muito Leve”, a precisão foi de 1,000 e sensibilidade de 0,982, resultando em F1-Score de 0,991. A classe “Alzheimer Leve” apresentou precisão de 0,994 e sensibilidade de 0,994, com F1-Score de 0,994. Um achado particularmente notável foi a performance perfeita para a classe “Alzheimer Moderado”, que alcançou precisão, sensibilidade, especificidade, F1-Score, índice de Youden e AUC de 1,000 para todas as métricas, mesmo sendo a classe mais rara no conjunto de dados, representando apenas 1% do total de imagens.
Os valores de AUC (Área Sob a Curva ROC) para todas as classes foram extremamente próximos de 1,0000, com “Alzheimer Leve” e “Alzheimer Moderado” atingindo 1,0000, e “Sem Alzheimer” e “Alzheimer Muito Leve” alcançando 0,9999. Estes resultados indicam uma capacidade de discriminação quase perfeita entre as classes, sugerindo que o modelo é altamente eficaz em distinguir os diferentes estágios da doença. A proximidade das curvas ROC ao canto superior esquerdo do gráfico reforça visualmente a alta sensibilidade e especificidade do modelo em todas as categorias.
A análise visual da matriz de confusão corroborou os resultados numéricos, exibindo uma forte diagonal principal e valores muito baixos fora dela. Isso demonstra a alta precisão do modelo em todas as classes. Os poucos erros identificados na matriz confirmaram uma dificuldade ligeiramente maior em distinguir entre os estágios “Alzheimer Leve” e “Alzheimer Muito Leve”, o que é um comportamento esperado e reflete a natureza contínua da progressão da doença. A performance perfeita para a classe “Alzheimer Moderado”, apesar de sua representatividade minoritária no dataset, é um resultado particularmente significativo, indicando a robustez da ResNet18 e a eficácia do fine-tuning em aprender características distintivas mesmo com poucas amostras.
Em comparação com a literatura existente, o desempenho alcançado por este modelo superou muitos resultados reportados para a classificação da doença de Alzheimer utilizando aprendizado por transferência em datasets de MRI. Estudos anteriores que aplicaram abordagens baseadas em CNNs profundas e transfer learning em conjuntos de dados como OASIS e ADNI, frequentemente reportaram acurácias na faixa de 85% a 96% (ISLAM; ZHANG, 2020; SALEHI; ERDOGMUS; GHOLIPOUR, 2020). A acurácia de 99,3%, o Kappa de 0,988 e o MCC de 0,988 obtidos neste estudo representam uma melhoria substancial.
A superioridade do modelo pode ser atribuída à combinação estratégica da arquitetura ResNet18, que é reconhecida por sua eficiência e capacidade de lidar com o problema do desaparecimento do gradiente através de conexões residuais, e a metodologia de fine-tuning em duas fases. Essa abordagem permitiu que o modelo se especializasse na tarefa de classificação de imagens de MRI para Alzheimer, aproveitando o conhecimento pré-treinado em um vasto dataset e adaptando-o de forma refinada. A estabilidade do treinamento e a ausência de overfitting significativo, evidenciadas pelas curvas de aprendizagem, são pontos fortes que contribuíram para a alta capacidade de generalização do modelo final.
A capacidade de classificar com perfeição a classe “Alzheimer Moderado”, apesar de sua extrema raridade no conjunto de dados de treino, é um resultado particularmente relevante. Muitos trabalhos na literatura enfrentam desafios significativos com classes minoritárias, onde a representatividade reduzida pode levar a um viés no treinamento. A robustez da ResNet18, aliada à eficácia do fine-tuning, permitiu que o modelo aprendesse características distintivas com poucas amostras, demonstrando um potencial significativo para o diagnóstico precoce e preciso, especialmente em estágios mais avançados, onde a identificação é crucial para o manejo do paciente.
Em síntese, os resultados obtidos demonstram que o modelo de aprendizado profundo desenvolvido é altamente eficaz na classificação dos quatro estágios da doença de Alzheimer a partir de imagens de MRI. A alta acurácia, Kappa de Cohen e MCC, juntamente com a excelente capacidade de discriminação entre as classes, validam a metodologia empregada e posicionam o modelo como uma ferramenta promissora para auxiliar o diagnóstico clínico, contribuindo para a detecção precoce e o planejamento do cuidado dos pacientes.
4. Conclusão
O presente estudo visou ao desenvolvimento, treinamento e validação de um modelo de aprendizado profundo, empregando a metodologia de Transfer Learning com a arquitetura ResNet18, para a classificação automática dos quatro estágios da doença de Alzheimer a partir de imagens de ressonância magnética cerebral (MRI). Verificou-se um desempenho excepcional do modelo, que alcançou uma acurácia global de 99,3% e um coeficiente Kappa de Cohen de 0,988 no conjunto de teste. A estratégia de treinamento em duas fases, com extração de características seguida de ajuste fino, demonstrou-se altamente eficaz, permitindo que o modelo aprendesse padrões complexos e generalizasse com robustez. Notavelmente, identificou-se uma capacidade perfeita de classificação para a classe Alzheimer Moderado, mesmo sendo a mais rara no conjunto de dados, com precisão e sensibilidade de 1,000. Estes achados posicionam o modelo como uma ferramenta computacional de alta acurácia, com grande potencial para apoiar o diagnóstico clínico da doença de Alzheimer, contribuindo para a detecção precoce e o planejamento do cuidado dos pacientes.
Contudo, o estudo apresenta algumas limitações que devem ser consideradas. A avaliação do modelo foi realizada em um único dataset público, o que sugere a necessidade de validação em conjuntos de dados externos, provenientes de diferentes centros de imagem e protocolos de aquisição, para confirmar sua generalização no mundo real. Adicionalmente, a análise foi conduzida em imagens 2D, enquanto a ressonância magnética é uma modalidade 3D, o que pode implicar na perda de informações contextuais. Para estudos futuros, recomenda-se a construção de modelos capazes de processar diretamente volumes 3D e a integração de dados multimodais, como tomografia computadorizada e biomarcadores sanguíneos, visando um diagnóstico ainda mais abrangente e preciso. É fundamental ressaltar que o modelo desenvolvido constitui uma ferramenta de apoio ao diagnóstico, e não um substituto para a avaliação clínica especializada.
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Artigo oriundo de Trabalho de Conclusão de Curso da Especialização em Data Science e Analytics do MBA USP/Esalq
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