Modelo para la valoracin de Burnout en el personal mdico del Hospital Luis G Dvila Tulcn empleando Inteligencia artificial
Model for assessing burnout in medical staff at the Luis G. Dvila Hospital in Tulcn using artificial intelligence
Modelo para avaliar o burnout na equipa mdica do Hospital Luis G. Dvila em Tulcn com recurso a inteligncia artificial
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Correspondencia: luisg.romero@unach.edu.ec
Ciencias de la Salud
Artculo de Investigacin
* Recibido: 13 de julio de 2025 *Aceptado: 20 de agosto de 2025 * Publicado: 26 de septiembre de 2025
I. Maestrante de la Universidad Nacional de Chimborazo, Ecuador.
II. Departamento de Informtica y Ciencias de la Computacin, Escuela Politcnica Nacional, Quito 170525, Laboratorio de Simulacin Numrica y Acstica, LASINAC, Escuela Politcnica Nacional, Quito 170525, Av. Antonio Jos de Sucre, Riobamba, Ecuador.
Resumen
Este estudio desarroll un modelo de inteligencia artificial para evaluar el sndrome de Burnout en el personal mdico del Hospital Luis G. Dvila (Ecuador), recopilando datos de 165 profesionales con 20 variables categricas y 22 ordinales. Tras preprocesar los datos con distancias de Mahalanobis y PCA, se conservaron 91 predictores codificados numricamente. Mediante un riguroso protocolo que evalu ms de 500 arquitecturas, se eligi una red neuronal ptima de dos capas ocultas (155 y 91 neuronas), logrando una precisin superior al 90%, muy por encima de la regresin logstica multinomial (11,17%). El modelo se implement en R y Python usando TensorFlow y Keras. El anlisis de correlacin ajustado indic que horas de carga laboral, volumen de pacientes y percepcin emocional fueron los predictores ms influyentes. Este enfoque demostr la eficacia de la IA para la deteccin y personalizacin diagnstica del Burnout en contextos hospitalarios locales, ofreciendo una herramienta escalable y automatizada para la prevencin temprana de este sndrome ocupacional.
Palabras clave: inteligencia artificial; redes neuronales; sndrome de Burnout; tcnicas avanzadas de aprendizaje automtico.
Abstract
This study developed an artificial intelligence model to assess burnout syndrome in the medical staff of Luis G. Dvila Hospital (Ecuador), collecting data from 165 professionals with 20 categorical and 22 ordinal variables. After preprocessing the data with Mahalanobis distances and PCA, 91 numerically coded predictors were retained. Through a rigorous protocol that evaluated more than 500 architectures, an optimal two-hidden-layer neural network (155 and 91 neurons) was chosen, achieving an accuracy greater than 90%, well above multinomial logistic regression (11.17%). The model was implemented in R and Python using TensorFlow and Keras. Adjusted correlation analysis indicated that workload hours, patient volume, and emotional perception were the most influential predictors. This approach demonstrated the effectiveness of AI for the detection and personalized diagnosis of burnout in local hospital settings, offering a scalable and automated tool for the early prevention of this occupational syndrome.
Keywords: artificial intelligence; neural networks; burnout syndrome; advanced machine learning techniques.
Resumo
Este estudo desenvolveu um modelo de inteligncia artificial para avaliar a sndrome de burnout na equipa mdica do Hospital Luis G. Dvila (Equador), recolhendo dados de 165 profissionais com 20 variveis categricas e 22 ordinais. Aps o pr-processamento dos dados com as distncias de Mahalanobis e ACP, foram retidos 91 preditores codificados numericamente. Atravs de um protocolo rigoroso que avaliou mais de 500 arquiteturas, foi escolhida uma rede neural tima de duas camadas ocultas (155 e 91 neurnios), conseguindo uma preciso superior a 90%, muito acima da regresso logstica multinomial (11,17%). O modelo foi implementado em R e Python usando o TensorFlow e o Keras. A anlise de correlao ajustada indicou que as horas de trabalho, o volume de doentes e a perceo emocional foram os preditores mais influentes. Esta abordagem demonstrou a eficcia da IA para a deteo e diagnstico personalizado de burnout em ambientes hospitalares locais, oferecendo uma ferramenta escalvel e automatizada para a preveno precoce desta sndrome ocupacional.
Palavras-chave: inteligncia artificial; redes neuronais; sndrome de burnout; tcnicas avanadas de aprendizagem automtica.
Introduccin
El personal mdico hospitalario enfrenta alta demanda fsica y emocional, relegando su bienestar y exponindose a estrs crnico que puede derivar en el sndrome de Burnout, caracterizado por agotamiento emocional, despersonalizacin y baja realizacin personal, afectando la calidad del servicio y la seguridad del paciente. Reconocido como enfermedad laboral por la OMS desde 2022, el Burnout surge del estrs crnico mal gestionado en el entorno laboral, siendo su deteccin temprana esencial, especialmente en hospitales pblicos donde los recursos son limitados y el diagnstico suele depender de evaluaciones subjetivas, lo que retrasa la intervencin.
Este trabajo propone un modelo automatizado basado en inteligencia artificial para valorar el Burnout en personal mdico hospitalario, usando instrumentos validados y modelos como clasificadores binarios y redes neuronales profundas, lo cual facilita la identificacin de factores de riesgo sin intervencin directa. Se emplea un diseo mixto para lograr inferencias slidas sobre los factores psicosociales en el entorno hospitalario. La IA representa un avance en la gestin de riesgos, aunque requiere integrarse en modelos de salud ocupacional complementarios. El valor del estudio reside en su potencial para promover consciencia y accin en un problema que afecta la vida profesional y la calidad del sistema sanitario.
Los antecedentes investigativos recientes han fortalecido este enfoque. Diversos estudios han abordado la prediccin del Burnout mediante herramientas avanzadas de anlisis multivariante y aprendizaje automtico. Para, Caldern-De la Cruz y Merino-Soto (2020) analizaron la estructura interna del Maslach Burnout Inventory empleando tcnicas estadsticas avanzadas para validacin. En el mbito del aprendizaje automtico, los primeros desarrollos incluyen aplicaciones de redes neuronales artificiales, mostrando rendimientos superiores a los mtodos estadsticos convencionales, como reportan diferentes autores [1-3]. Otras investigaciones han incorporado datos fisiolgicos y psicomtricos a travs de dispositivos wearables y anlisis en tiempo real, incrementando la precisin diagnstica [4-7].
Estudios recientes tambin han enfatizado la seleccin de caractersticas y la robustez de los modelos, empleando tcnicas como el Anlisis de Componentes Principales (PCA) y el algoritmo de clusterizacin Kamila, logrando precisiones cercanas al 97% [8-17]. El contexto de crisis, particularmente la pandemia de COVID-19, ha demostrado la importancia de modelos adaptables que consideran variables sociodemogrficas, biomarcadores e informacin contextual [18-19]. As, la evolucin de estas tcnicas refleja una tendencia hacia sistemas predictivos integrados y multidimensionales, capaces de combinar datos tradicionales de cuestionarios, seales biolgicas y criterios sociodemogrficos.
En este marco, el presente estudio propone e implementa un modelo automatizado basado en inteligencia artificial para la valoracin del sndrome de Burnout en el personal mdico del Hospital Luis G. Dvila, haciendo uso de mtodos estadsticos multivariados y aprendizaje profundo, con el objetivo de atender de manera eficiente uno de los problemas ms crticos en salud ocupacional actual.
Materiales y mtodos
La investigacin se propuso como objetivo determinar los factores de riesgo del sndrome de Burnout en el personal mdico y de enfermera del Hospital Luis G. Dvila, mediante el desarrollo de un modelo automatizado de valoracin basado en tcnicas de inteligencia artificial y anlisis multivariante. El estudio adopta un enfoque mixto (cuantitativo-cualitativo), predominando el componente cuantitativo. Se trata de una investigacin no experimental y transversal, de tipo aplicativo y explicativo. El nivel es correlacional-predictivo, orientado a identificar patrones y factores de riesgo que inciden en la presentacin del Burnout y su magnitud en la poblacin objetivo. La poblacin estuvo compuesta por la totalidad del personal mdico y de enfermera activo en el Hospital Luis G. Dvila durante el perodo de estudio, sumando 165 participantes, quienes constituyeron la muestra total por muestra censal.
Los instrumentos de recoleccin de datos para la informacin cuantitativa, se emple el Inventario Maslach de Burnout (MBI), con 22 tems que evalan las dimensiones de cansancio emocional, despersonalizacin y realizacin personal. Complementariamente, se aplicaron encuestas sociodemogrficas, incorporando 20 variables categricas (edad, gnero, estado civil, hijos, tiempo en la profesin, horas de trabajo). Para la obtencin de los datos cualitativos y para recoger percepciones sobre el entorno laboral, estabilidad emocional y procesos de afrontamiento, se usaron entrevistas semiestructuradas y consultas abiertas con expertos del rea de salud.
El anlisis de los datos cuantitativos incluy imputacin de datos faltantes por K-Nearest Neighbors, deteccin de valores atpicos mediante distancia de Mahalanobis, reduccin de dimensionalidad con Anlisis de Componentes Principales (PCA), y codificacin dummy de variables categricas. Para la prediccin del Burnout, se construyeron modelos de redes neuronales profundas (Deep Learning) utilizando TensorFlow y Keras en R y Python. La arquitectura ptima se seleccion con base en precisin, error cuadrtico medio y capacidad predictiva. Para el anlisis de los datos cualitativos, se analiz mediante categorizacin temtica y triangulacin con los datos cuantitativos, permitiendo interpretar factores percibidos como influyentes o protectores frente al Burnout, contextualizando los resultados y validando el modelo automatizado.
Resultados
Tabla 1. Formato y ejemplo de etiquetas empleadas como variables de respuesta para el proceso de entrenamiento
Cansancio alto |
Cansancio medio |
Cansancio bajo |
Despersonalizacin alta |
Despersonalizacin media |
Despersonalizacin baja |
Realizacin personal alta |
Realizacin personal media |
Realizacin personal baja |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
La Tabla 1 ejemplifica el sistema de etiquetado utilizado en el entrenamiento del modelo de red neuronal para el sndrome de Burnout, donde cada participante recibe una etiqueta (1 = presencia, 0 = ausencia) en los niveles alto, medio o bajo de las dimensiones: cansancio emocional, despersonalizacin y realizacin personal. La codificacin dummy permite clasificar simultneamente mltiples perfiles de riesgo, por ejemplo, alguien con puntaje 1 en las tres dimensiones se considera en alto riesgo de Burnout. Este esquema favorece la precisin del diagnstico y la personalizacin de intervenciones, permitiendo identificar qu dimensin crtica predomina para la toma de decisiones focalizadas en el personal de salud.
La diversidad multivariada, categrica y ordinal del instrumento impidi usar tcnicas estadsticas clsicas, lo que llev a emplear redes neuronales artificiales y Deep Learning por su alta capacidad para procesar variables no lineales. El procesamiento se realiz en R y Python (Anaconda), integrando TensorFlow 2.1 y Keras con reticulate. Se imputaron 17 datos faltantes (0.011%) usando KNN (VIM) y se analizaron observaciones atpicas con distancias de Mahalanobis (punto de corte 297.7523, chi-cuadrado, 99.9%), sin detectar casos extremos, manteniendo la base con 165 observaciones. Posteriormente, se trasformaron variables categricas y binarias a dummies (recipes, tidyverse), generando una matriz de 100 variables: 91 predictores y variables de respuesta segn las etiquetas de la Tabla 2. La integridad del conjunto se verific con ggplot2 y GGally, y los resultados se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2. Estadsticos descriptivos de cada variable que conforma la base de datos
Variable name |
n.missing |
complete.rate |
num.mean |
num.sd |
num p0 |
num p25 |
num p50 |
num p75 |
num p100 |
HaPadecidoBurnout |
0 |
1 |
0.08571429 |
0.28094686 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
ServCentEst |
0 |
1 |
0.05 |
0.21872752 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
ServCentEstAislaResp |
0 |
1 |
0.00714286 |
0.08451543 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
ServCentObste |
0 |
1 |
0.14285714 |
0.35118358 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
ServCentQuirurg |
0 |
1 |
0.09285714 |
0.29127427 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
ServCirugia |
0 |
1 |
0.09285714 |
0.29127427 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
ServConsExt |
0 |
1 |
0.03571429 |
0.18624322 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
ServEmergencia |
0 |
1 |
0.12857143 |
0.33592688 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
ServGinec |
0 |
1 |
0.07857143 |
0.27003483 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
ServMedcInter |
0 |
1 |
0.11428571 |
0.31930037 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
ServNeonato |
0 |
1 |
0.08571429 |
0.28094686 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
ServPediat |
0 |
1 |
0.05 |
0.21872752 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
ServUCI |
0 |
1 |
0.12142857 |
0.32779747 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
Edad18a30 |
0 |
1 |
0.32857143 |
0.4713803 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
Edad31a45 |
0 |
1 |
0.60714286 |
0.49013915 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
Edad46a60 |
0 |
1 |
0.06428571 |
0.24614186 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
GeneroFem |
0 |
1 |
0.91428571 |
0.28094686 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
EstadoCivCas |
0 |
1 |
0.42857143 |
0.49664858 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
EstadoCivDiv |
0 |
1 |
0.12857143 |
0.33592688 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
EstadoCivSolt |
0 |
1 |
0.25714286 |
0.43862815 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
EstadoCivUniLib |
0 |
1 |
0.17142857 |
0.37823629 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
EstadoCivViud |
0 |
1 |
0.01428571 |
0.11909215 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
X1Hijo |
0 |
1 |
0.35 |
0.47868224 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
X2Hijos |
0 |
1 |
0.37857143 |
0.48677262 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
X3Hijos |
0 |
1 |
0.07857143 |
0.27003483 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
Masde3Hijos |
0 |
1 |
0.03571429 |
0.18624322 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
NingunHijo |
0 |
1 |
0.15714286 |
0.36524218 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
SituLabNombra |
0 |
1 |
0.6 |
0.49165701 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
SituLabOcas |
0 |
1 |
0.08571429 |
0.28094686 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
SituLabTiempDet |
0 |
1 |
0.31428571 |
0.46589767 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
TEjerceProf1a5 |
0 |
1 |
0.29285714 |
0.45670746 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
TEjerceProf10a20 |
0 |
1 |
0.12142857 |
0.32779747 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
TEjerceProf20a30 |
0 |
1 |
0.02142857 |
0.14532807 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
TEjerceProf5a10 |
0 |
1 |
0.55714286 |
0.49850754 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
TEjerceProfmas30 |
0 |
1 |
0.00714286 |
0.08451543 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
HorDTrab12h |
0 |
1 |
0.53571429 |
0.50051361 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
HorDTrab8h |
0 |
1 |
0.18571429 |
0.39027226 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
HorDTrabMas12h |
0 |
1 |
0.26428571 |
0.44253544 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
HorDTrabMen8 |
0 |
1 |
0.01428571 |
0.11909215 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
NumPacient10a20 |
0 |
1 |
0.31428571 |
0.46589767 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
NumPacient5a10 |
0 |
1 |
0.27857143 |
0.44990578 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
NumPacientMas20 |
0 |
1 |
0.33571429 |
0.47393522 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
NumPacientMen5 |
0 |
1 |
0.07142857 |
0.25846412 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
DiasLib1a2 |
0 |
1 |
0.75714286 |
0.43034917 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
DiasLibMas3 |
0 |
1 |
0.2 |
0.40143627 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
DiasLiNing |
0 |
1 |
0.04285714 |
0.20326219 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
NumComid2 |
0 |
1 |
0.25 |
0.43456751 |
0 |
0 |
0 |
0.25 |
1 |
NumComid3 |
0 |
1 |
0.6 |
0.49165701 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
NumComidMas3 |
0 |
1 |
0.15 |
0.35835355 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
EnferRiesArtrit |
0 |
1 |
0.02857143 |
0.16719683 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
EnferRiesDiabt |
0 |
1 |
0.02857143 |
0.16719683 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
EnferRiegCoraz |
0 |
1 |
0.01428571 |
0.11909215 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
EnferRiegHipert |
0 |
1 |
0.07857143 |
0.27003483 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
EnferRiegNing |
0 |
1 |
0.80714286 |
0.39595851 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
EnferRiegCronic |
0 |
1 |
0.04285714 |
0.20326219 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
MedProtcAvecs |
0 |
1 |
0.73571429 |
0.44253544 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
MedProtcNunc |
0 |
1 |
0.17857143 |
0.38436825 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
MedProtcSiempr |
0 |
1 |
0.08571429 |
0.28094686 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
TrabAreaAisl1a3 |
0 |
1 |
0.52142857 |
0.50133429 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
TrabAreaAisl3a6 |
0 |
1 |
0.30714286 |
0.46296555 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
TrabAreaAislNunc |
0 |
1 |
0.10714286 |
0.31040536 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
TrabAreaAisTodTiemp |
0 |
1 |
0.06428571 |
0.24614186 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
PercTrabAngs |
31 |
0.77857143 |
0.19266055 |
0.39621039 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
PercTrabAncied |
0 |
1 |
0.11428571 |
0.31930037 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
PercTrabIncer |
0 |
1 |
0.15 |
0.35835355 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
PercTrabMied |
0 |
1 |
0.25714286 |
0.43862815 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
PercTrabNing |
0 |
1 |
0.09285714 |
0.29127427 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
PercTrabPreoc |
0 |
1 |
0.21428571 |
0.41179925 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
PercTrabTranq |
0 |
1 |
0.02142857 |
0.14532807 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
p1 |
0 |
1 |
2.87142857 |
1.59063291 |
0 |
2 |
3 |
4 |
6 |
p2 |
0 |
1 |
2.82142857 |
1.56980436 |
0 |
2 |
3 |
4 |
6 |
p3 |
0 |
1 |
2.65714286 |
1.58577956 |
0 |
1 |
3 |
4 |
6 |
p4 |
0 |
1 |
3.44285714 |
1.64588621 |
0 |
2 |
3 |
5 |
6 |
p5 |
0 |
1 |
2.55 |
1.65483812 |
0 |
1 |
3 |
4 |
6 |
p6 |
0 |
1 |
2.82857143 |
1.83468915 |
0 |
1 |
3 |
4 |
6 |
p7 |
0 |
1 |
3.45714286 |
1.65068736 |
0 |
2 |
3 |
5 |
6 |
p8 |
0 |
1 |
2.85 |
1.68328644 |
0 |
1.75 |
3 |
4 |
6 |
p9 |
0 |
1 |
3.33571429 |
1.72000801 |
0 |
2 |
3 |
4.25 |
6 |
p10 |
0 |
1 |
2.97142857 |
1.53586784 |
0 |
2 |
3 |
4 |
6 |
p11 |
0 |
1 |
2.92142857 |
1.68816386 |
0 |
2 |
3 |
4 |
6 |
p12 |
0 |
1 |
3.75 |
1.61434665 |
0 |
3 |
4 |
5 |
6 |
p13 |
0 |
1 |
2.95714286 |
1.87705352 |
0 |
1.75 |
3 |
4 |
6 |
p14 |
0 |
1 |
3.20714286 |
1.61600105 |
0 |
2 |
3.5 |
4 |
6 |
p15 |
0 |
1 |
2.79285714 |
1.71114177 |
0 |
1 |
3 |
4 |
6 |
p16 |
0 |
1 |
2.71428571 |
1.61506271 |
0 |
2 |
3 |
4 |
6 |
p17 |
0 |
1 |
3.06428571 |
1.73914191 |
0 |
2 |
3 |
4 |
6 |
p18 |
0 |
1 |
3.23571429 |
1.83730611 |
0 |
2 |
3 |
5 |
6 |
p19 |
0 |
1 |
3.45 |
1.63295645 |
0 |
2 |
4 |
5 |
6 |
p20 |
0 |
1 |
2.61428571 |
1.69461999 |
0 |
1 |
3 |
4 |
6 |
p21 |
0 |
1 |
3.2 |
1.6758977 |
0 |
2 |
3 |
5 |
6 |
p22 |
0 |
1 |
2.5 |
1.67289006 |
0 |
1 |
3 |
4 |
6 |
cansancioAlto |
0 |
1 |
0.57142857 |
0.49664858 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
cansancioMedio |
0 |
1 |
0.23571429 |
0.42596846 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
cansancioBajo |
0 |
1 |
0.19285714 |
0.39595851 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
despersAlto |
0 |
1 |
0.8 |
0.40143627 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
despersMedio |
0 |
1 |
0.11428571 |
0.31930037 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
despersBajo |
0 |
1 |
0.08571429 |
0.28094686 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
realizAlto |
0 |
1 |
0.1 |
0.3010772 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
realizMedio |
0 |
1 |
0.05714286 |
0.23294883 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
realizBajo |
0 |
1 |
0.84285714 |
0.36524218 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
La Tabla 2 muestra que la matriz analtica final qued sin valores atpicos ni faltantes, y todas las 100 variables conservaron varianza distinta de cero. Segn la Tabla 1, el patrn de dispersin heterogneo justific agregar una capa de normalizacin en la entrada, implementada en Keras con layer_normalization y adapt, para asegurar escalas homogneas y evitar distorsiones en los gradientes. La variable de respuesta se codific como dummy, lo que permiti tener nueve neuronas en la capa de salidauna por cada categora del Burnoututilizando la funcin to_categorical de Keras, optimizando la clasificacin y personalizacin diagnstica.
Regresin logstica multinomial. La regresin logstica multinomial se aplic como tcnica clsica de contraste para evaluar el desempeo frente a mtodos de machine learning. El modelo se construy con las 91 variables regresoras y las nueve categoras de respuesta, ajustando nueve modelos GLM mediante la funcin glm de R. Solo 17 variables resultaron significativas, con valores de AIC = 423.76, Null deviance = 425.517 y Residual deviance = 87.23, logrando una precisin de 11.1713%. Estos resultados evidencian que la regresin logstica presenta limitaciones sustanciales para explicar adecuadamente la estructura compleja de relaciones entre las variables del instrumento propuesto, lo que justifica el uso de tcnicas multivariantes ms avanzadas como las redes neuronales.
Arquitectura de la red neuronal. Un protocolo experimental exhaustivo suele ser un excelente recurso para la identificacin de una arquitectura apropiada para la red neuronal [21], [23], [24], [25], motivo por el cual se disearon arquitecturas de redes neuronales poco profundas y profundas para optimizar la clasificacin. La topologa ptima se determin mediante una metodologa dual que combin anlisis de componentes principales (PCA) para establecer el nmero ptimo de capas ocultas [23], [25]; y exploracin sistemtica de todas las configuraciones posibles de neuronas en las capas ocultas, . El PCA, ejecutado en R con la funcin princomp, permiti estimar los factores mnimos para explicar la varianza y segn , relacionarlos con el posible nmero de capas ocultas [26], [27], con resultados presentados en la Tabla 3 y la Figura 1.
Tabla 3. Resultados del anlisis de componentes principales ejecutado sobre la base de datos.
Components |
Comp.1 |
Comp.2 |
Comp.3 |
Comp.4 |
Comp.5 |
Comp.6 |
Standard deviation |
2.4199943 |
1.9833445 |
1.5326758 |
1.4910753 |
1.1967514 |
1.08416893 |
Proportion of variance |
0.3451002 |
0.2317997 |
0.1384258 |
0.1310134 |
0.0843965 |
0.06926446 |
Cumulative proportion |
0.3451002 |
0.5768998 |
0.7153257 |
0.8463390 |
0.9307355 |
0.9999999 |
Fig. 1. Proporcin acumulada de varianza para cada nmero de componentes obtenido mediante el PCA.
Como se puede observar en la Figura 1 y siguiendo las recomendaciones de [23], se puede considerar un nmero de capas ocultas similar al nmero de componentes principales hasta donde el modelo es capaz de explicar cerca del 7-% de la varianza del conjunto de datos. Por lo que en este estudio se estudiaron las arquitecturas poco profundas de una capa oculta y las arquitecturas profundas de 2 y 3 capas ocultas.
Modelo secuencial de una capa oculta. La arquitectura del modelo comenz con una red neuronal superficial de una sola capa oculta, optimizada iterativamente para distintas configuraciones. Se emple funcin de activacin ReLU, regularizacin L2 e inicializacin Glorot con distribucin normal, adems de Dropout (80% activas, 20% inactivas) para mitigar el desvanecimiento de gradiente. El entrenamiento se realiz con Adam (learning-rate 0.1, decaimiento 1/500, momentum 0.8, β_1=0.9, β_2=0.999, AMSGrad activado). El rango explorado fue de 49 a 198 neuronas en la capa oculta, equivalente a la mitad y el doble de las 91 entradas. Los resultados de rendimiento se detallan en la Tabla 4 y Figura 2.
Tabla 4. Mtricas de desempeo para diferentes configuraciones de redes neuronales con una sola capa oculta
Nmero de neuronas |
loss |
accuracy |
mse |
Nmero de neuronas |
loss |
accuracy |
mse |
Nmero de neuronas |
loss |
accuracy |
mse |
45 |
160331.328 |
0.2800 |
0.2311 |
91 |
240548.203 |
0.0400 |
0.2489 |
137 |
330961.313 |
0.0400 |
0.2311 |
46 |
140017.438 |
0.0800 |
0.2489 |
92 |
254799.188 |
0.1200 |
0.2400 |
138 |
361611.969 |
0.5200 |
0.2311 |
47 |
118626.773 |
0.1200 |
0.2490 |
93 |
243579.094 |
0.4400 |
0.2489 |
139 |
327058.031 |
0.2000 |
0.2311 |
121305.094 |
0.2400 |
0.2391 |
94 |
238771.313 |
0.2400 |
0.2311 |
140 |
347537.625 |
0.1600 |
0.2311 |
|
49 |
147720.578 |
0.1600 |
0.2311 |
95 |
233307.906 |
0.2000 |
0.2311 |
141 |
345846.813 |
0.2800 |
0.2568 |
50 |
133639.000 |
0.5200 |
0.2667 |
96 |
227600.188 |
0.1200 |
0.2400 |
142 |
314094.031 |
0.1600 |
0.2400 |
51 |
128572.727 |
0.1600 |
0.2489 |
97 |
242639.141 |
0.1600 |
0.2401 |
143 |
346704.969 |
0.2400 |
0.2311 |
52 |
138149.750 |
0.5600 |
0.2667 |
98 |
232196.063 |
0.5200 |
0.2489 |
144 |
333336.313 |
0.3600 |
0.2489 |
53 |
121436.820 |
0.4400 |
0.2667 |
99 |
219918.578 |
0.2000 |
0.2311 |
145 |
347330.375 |
0.2800 |
0.2400 |
54 |
130958.391 |
0.2000 |
0.2578 |
100 |
259497.844 |
0.4400 |
0.2750 |
146 |
348300.563 |
0.4800 |
0.2222 |
55 |
131380.891 |
0.5600 |
0.2391 |
101 |
241518.594 |
0.5200 |
0.2400 |
147 |
347107.375 |
0.4800 |
0.2379 |
56 |
153569.000 |
0.2000 |
0.2400 |
102 |
249220.094 |
0.2000 |
0.2311 |
148 |
358163.719 |
0.4800 |
0.2570 |
57 |
178125.813 |
0.1600 |
0.2222 |
103 |
228260.922 |
0.0800 |
0.2488 |
149 |
357707.000 |
0.1600 |
0.2400 |
58 |
147290.922 |
0.5200 |
0.2311 |
104 |
263130.813 |
0.1600 |
0.2400 |
150 |
358336.125 |
0.5600 |
0.2489 |
59 |
154168.281 |
0.1200 |
0.2489 |
105 |
259715.688 |
0.1600 |
0.2489 |
151 |
348004.094 |
0.3600 |
0.2400 |
60 |
172128.141 |
0.3600 |
0.2667 |
106 |
255264.984 |
0.1200 |
0.2333 |
152 |
357371.750 |
0.1600 |
0.2400 |
61 |
162998.391 |
0.4800 |
0.2667 |
107 |
286147.125 |
0.7600 |
0.2400 |
153 |
378329.688 |
0.1200 |
0.2311 |
62 |
166027.703 |
0.1200 |
0.2400 |
108 |
269276.375 |
0.1200 |
0.2302 |
154 |
347288.000 |
0.6000 |
0.2489 |
63 |
180733.906 |
0.4800 |
0.2400 |
109 |
261327.547 |
0.2000 |
0.2383 |
155 |
407395.875 |
0.8400 |
0.2400 |
64 |
173817.281 |
0.0800 |
0.2400 |
110 |
253157.594 |
0.3200 |
0.2400 |
156 |
365895.969 |
0.2400 |
0.2488 |
65 |
151692.359 |
0.7600 |
0.2400 |
111 |
268693.375 |
0.1200 |
0.2400 |
157 |
376147.969 |
0.1600 |
0.2400 |
66 |
186751.906 |
0.1600 |
0.2311 |
112 |
298651.250 |
0.4400 |
0.2400 |
158 |
400106.250 |
0.1200 |
0.2400 |
67 |
194191.906 |
0.4000 |
0.2400 |
113 |
275406.625 |
0.2400 |
0.2311 |
159 |
398384.281 |
0.0800 |
0.2400 |
68 |
166839.375 |
0.4800 |
0.2489 |
114 |
259389.500 |
0.0800 |
0.2311 |
160 |
397585.375 |
0.2400 |
0.2400 |
69 |
199718.313 |
0.5200 |
0.2482 |
115 |
274496.531 |
0.5200 |
0.2400 |
161 |
353684.594 |
0.2400 |
0.2311 |
70 |
189264.188 |
0.0800 |
0.2489 |
116 |
295861.250 |
0.4000 |
0.2400 |
162 |
401619.875 |
0.5600 |
0.2489 |
71 |
187359.453 |
0.2400 |
0.2400 |
117 |
288668.594 |
0.4800 |
0.2383 |
163 |
421932.875 |
0.5200 |
0.2489 |
72 |
168157.188 |
0.0800 |
0.2400 |
118 |
262933.656 |
0.5200 |
0.2391 |
164 |
412344.563 |
0.3200 |
0.2489 |
73 |
163023.250 |
0.0800 |
0.2489 |
119 |
290336.906 |
0.2400 |
0.2482 |
165 |
404491.750 |
0.2800 |
0.2400 |
74 |
171470.234 |
0.2800 |
0.2488 |
120 |
270585.125 |
0.3200 |
0.2311 |
166 |
376811.250 |
0.3200 |
0.2311 |
75 |
188804.453 |
0.3200 |
0.2400 |
121 |
302180.125 |
0.6800 |
0.2489 |
167 |
401754.969 |
0.5600 |
0.2489 |
76 |
190678.953 |
0.4800 |
0.2489 |
122 |
284531.125 |
0.2000 |
0.2489 |
168 |
381489.188 |
0.4000 |
0.2400 |
77 |
195812.406 |
0.0800 |
0.2298 |
123 |
309503.375 |
0.3200 |
0.2400 |
169 |
384815.688 |
0.0800 |
0.2400 |
78 |
199594.781 |
0.3200 |
0.2290 |
124 |
317697.031 |
0.2800 |
0.2578 |
170 |
445795.750 |
0.4000 |
0.2400 |
79 |
220475.047 |
0.0000 |
0.2400 |
125 |
307946.875 |
0.2400 |
0.2311 |
171 |
379352.031 |
0.4400 |
0.2489 |
80 |
196039.313 |
0.1200 |
0.2400 |
126 |
307225.969 |
0.1600 |
0.2399 |
172 |
420531.094 |
0.2000 |
0.2311 |
81 |
196831.922 |
0.1200 |
0.2489 |
127 |
314118.844 |
0.6400 |
0.2667 |
173 |
409312.313 |
0.1600 |
0.2311 |
82 |
191969.047 |
0.4800 |
0.2397 |
128 |
293358.750 |
0.4000 |
0.2489 |
174 |
388220.875 |
0.5200 |
0.2489 |
83 |
209771.594 |
0.2400 |
0.2389 |
129 |
300699.281 |
0.2000 |
0.2311 |
175 |
412753.375 |
0.1200 |
0.2489 |
84 |
206976.594 |
0.4400 |
0.2489 |
130 |
336299.375 |
0.1200 |
0.2489 |
176 |
448422.281 |
0.1600 |
0.2311 |
85 |
201061.547 |
0.1600 |
0.2489 |
131 |
332458.281 |
0.4000 |
0.2378 |
177 |
398471.875 |
0.4400 |
0.2489 |
86 |
201443.406 |
0.4400 |
0.2666 |
132 |
322649.313 |
0.2000 |
0.2311 |
178 |
444766.406 |
0.2000 |
0.2400 |
87 |
196024.766 |
0.5200 |
0.2302 |
133 |
322849.875 |
0.1200 |
0.2489 |
179 |
433758.844 |
0.6400 |
0.2477 |
88 |
218906.453 |
0.0800 |
0.2391 |
134 |
320437.281 |
0.2000 |
0.2293 |
180 |
461970.031 |
0.3600 |
0.2489 |
89 |
212657.781 |
0.1600 |
0.2400 |
135 |
297572.344 |
0.4800 |
0.2489 |
181 |
443249.688 |
0.4000 |
0.2292 |
90 |
209209.313 |
0.0800 |
0.2489 |
136 |
335196.844 |
0.2000 |
0.2311 |
182 |
462344.000 |
0.2000 |
0.2400 |
Fig. 2. Accuracy, Loss y MSE para cada uno de los 137 modelos de una sola capa oculta entrenado considerando diversas alternativas de nmero de neuronas en la primera capa oculta.
El anlisis de la Tabla 4 y Figura 2 mostr que la arquitectura con 155 neuronas en la primera capa oculta logr la mejor precisin (84%), por lo cual fue utilizada como modelo ptimo y base para transferencia de aprendizaje en modelos con dos capas ocultas. La Figura 2 evidenci que el incremento de neuronas usualmente eleva el Loss y reduce el MSE, pero no siempre mejora la precisin, subrayando que una mayor cantidad de neuronas no garantiza un mejor desempeo. El entrenamiento iterativo y la arquitectura final se ilustran en las Figuras 3 y 4.
Fig. 3. Proceso de entrenamiento de la red neuronal propuesta de una capa oculta
Fig. 4. Arquitectura de la red neuronal propuesta de una capa oculta
Modelo secuencial de dos capas ocultas. Se evalu un modelo secuencial de dos capas ocultas (Deep Learning) buscando superar el desempeo del de una capa. Se exploraron mltiples configuraciones con algoritmo iterativo, utilizando ReLU, regularizacin L2, inicializacin Glorot (σ=1, μ=0) y Dropout (80% neuronas activas), y se entren con Adam (learning-rate 0.1, decaimiento 1/500, momentum 0.8, β_1=0.9, β_2=0.999, AMSGrad). El nmero ptimo de neuronas para la segunda capa se busc exhaustivamente entre 77 y 310 (la mitad a doble de las 155 entradas). El rendimiento de cada configuracin est detallado en la Tabla 5 y Figura 5.
Tabla 5. Mtricas de desempeo para diferentes configuraciones de redes neuronales con dos capas ocultas.
Nmero de neuronas |
loss |
accuracy |
mse |
Nmero de neuronas |
loss |
accuracy |
mse |
Nmero de neuronas |
loss |
accuracy |
mse |
77 |
461226432 |
0.0200 |
0.2578 |
156 |
1085371264 |
0.0200 |
0.2578 |
234 |
4015490560 |
0.0200 |
0.2311 |
78 |
682906432 |
0.0200 |
0.2311 |
157 |
1211634304 |
0.0200 |
0.2578 |
235 |
2327937024 |
0.0200 |
0.2311 |
79 |
675465408 |
0.0200 |
0.2311 |
158 |
2108609792 |
0.6600 |
0.2667 |
236 |
1964288256 |
0.9000 |
0.2489 |
80 |
786607360 |
0.0200 |
0.2578 |
159 |
1373789312 |
0.0200 |
0.2578 |
237 |
2514120448 |
0.0200 |
0.2578 |
81 |
959129088 |
0.0200 |
0.2311 |
160 |
859744064 |
0.0200 |
0.2311 |
238 |
1513218688 |
0.0200 |
0.2400 |
82 |
838318720 |
0.0200 |
0.2578 |
161 |
1475894272 |
0.7400 |
0.2756 |
239 |
1354733312 |
0.0200 |
0.2311 |
83 |
884130368 |
0.0200 |
0.2311 |
162 |
1146163072 |
0.7400 |
0.2400 |
240 |
2269755392 |
0.0200 |
0.2667 |
84 |
923788928 |
0.7800 |
0.2489 |
163 |
2194995712 |
0.1400 |
0.2400 |
241 |
2687774720 |
0.1400 |
0.2400 |
85 |
686267584 |
0.7800 |
0.2756 |
164 |
1130860288 |
0.0200 |
0.2311 |
242 |
3209204480 |
0.0200 |
0.2578 |
86 |
824570368 |
0.6200 |
0.2400 |
165 |
1692652288 |
0.1400 |
0.4089 |
243 |
3310731520 |
0.0200 |
0.2578 |
87 |
807156800 |
0.0600 |
0.2667 |
166 |
1690757632 |
0.0200 |
0.2578 |
244 |
2721489408 |
0.7800 |
0.2667 |
88 |
757983616 |
0.0200 |
0.2311 |
167 |
1846704896 |
0.0200 |
0.2311 |
245 |
2028221568 |
0.0200 |
0.2311 |
89 |
908966400 |
0.0200 |
0.2311 |
168 |
2008100864 |
0.7800 |
0.2489 |
246 |
2661361920 |
0.0200 |
0.2311 |
90 |
982737472 |
0.0200 |
0.2578 |
169 |
2240966400 |
0.6600 |
0.2489 |
247 |
3776602880 |
0.1400 |
0.2400 |
91 |
733493248 |
0.9000 |
0.2489 |
170 |
1399959680 |
0.0200 |
0.2578 |
248 |
3626732032 |
0.0200 |
0.2311 |
92 |
635991360 |
0.7800 |
0.2756 |
171 |
1002119936 |
0.0200 |
0.2667 |
249 |
1428394368 |
0.7800 |
0.2756 |
93 |
896551808 |
0.0200 |
0.2578 |
172 |
929481920 |
0.0200 |
0.2578 |
250 |
2702489856 |
0.7800 |
0.2756 |
94 |
683144256 |
0.0200 |
0.2578 |
173 |
1477961472 |
0.7800 |
0.2756 |
251 |
2516691968 |
0.0200 |
0.2578 |
95 |
802126912 |
0.0200 |
0.2311 |
174 |
1212232064 |
0.7800 |
0.2667 |
252 |
2663391744 |
0.1400 |
0.2400 |
96 |
721303744 |
0.0200 |
0.2578 |
175 |
2315693568 |
0.0200 |
0.2311 |
253 |
1878613888 |
0.0200 |
0.2311 |
97 |
867044224 |
0.0200 |
0.2311 |
176 |
1481996160 |
0.0200 |
0.2578 |
254 |
2732382208 |
0.6600 |
0.2667 |
98 |
1075117440 |
0.7800 |
0.2756 |
177 |
2503875584 |
0.0200 |
0.2311 |
255 |
3094408448 |
0.7800 |
0.2756 |
99 |
905806720 |
0.0200 |
0.2311 |
178 |
1426538368 |
0.0200 |
0.2311 |
256 |
3489663488 |
0.1400 |
0.2400 |
100 |
893750400 |
0.1400 |
0.2400 |
179 |
2749524992 |
0.0200 |
0.2311 |
257 |
1811200256 |
0.1400 |
0.2400 |
101 |
993214272 |
0.0200 |
0.2667 |
180 |
1726754816 |
0.0200 |
0.2578 |
258 |
1803159680 |
0.0600 |
0.2933 |
102 |
1304240256 |
0.1400 |
0.2400 |
181 |
1877660416 |
0.0200 |
0.2578 |
259 |
2734603008 |
0.9000 |
0.2489 |
103 |
1104542976 |
0.8600 |
0.2489 |
182 |
1526548864 |
0.0200 |
0.2578 |
260 |
2825677312 |
0.0200 |
0.2311 |
104 |
1077406848 |
0.0200 |
0.2667 |
183 |
2283027968 |
0.0200 |
0.2311 |
261 |
3754883072 |
0.0200 |
0.2578 |
105 |
1220503552 |
0.0200 |
0.2311 |
184 |
1413663488 |
0.0200 |
0.2578 |
262 |
2613221632 |
0.0200 |
0.2578 |
106 |
797256064 |
0.7400 |
0.2667 |
185 |
2002471680 |
0.0200 |
0.2667 |
263 |
2414769408 |
0.6600 |
0.2489 |
107 |
1200109824 |
0.0200 |
0.2311 |
186 |
2111089920 |
0.1400 |
0.2400 |
264 |
1972816896 |
0.0600 |
0.2578 |
108 |
1138200064 |
0.1400 |
0.2400 |
187 |
2561611520 |
0.0200 |
0.2400 |
265 |
4383285760 |
0.6600 |
0.2667 |
109 |
905591680 |
0.0200 |
0.2667 |
188 |
1632701440 |
0.0200 |
0.2578 |
266 |
3464828416 |
0.0200 |
0.2311 |
110 |
999140096 |
0.0200 |
0.2578 |
189 |
998050560 |
0.7800 |
0.2400 |
267 |
2144262528 |
0.0200 |
0.2311 |
111 |
782123072 |
0.0200 |
0.2311 |
190 |
1510327552 |
0.6600 |
0.2400 |
268 |
2135241088 |
0.7800 |
0.2733 |
112 |
1383675392 |
0.7800 |
0.2756 |
191 |
1538661888 |
0.0200 |
0.2578 |
269 |
2414384896 |
0.0200 |
0.2311 |
113 |
1096519040 |
0.9000 |
0.2489 |
192 |
1867064832 |
0.0200 |
0.2578 |
270 |
3379794688 |
0.7800 |
0.2756 |
114 |
1517624960 |
0.0200 |
0.2311 |
193 |
2190209280 |
0.7800 |
0.2667 |
271 |
2773599744 |
0.0200 |
0.2311 |
115 |
814429376 |
0.0200 |
0.2311 |
194 |
1968277632 |
0.6600 |
0.2400 |
272 |
4135514624 |
0.1400 |
0.2400 |
116 |
862302144 |
0.0200 |
0.2311 |
195 |
1486846976 |
0.7800 |
0.2756 |
273 |
2099440896 |
0.0200 |
0.2311 |
117 |
1085444736 |
0.0200 |
0.2578 |
196 |
1947679232 |
0.0200 |
0.2311 |
274 |
2336878592 |
0.6600 |
0.2667 |
118 |
1217903488 |
0.0200 |
0.2578 |
197 |
1722581760 |
0.6600 |
0.2400 |
275 |
2112489088 |
0.2200 |
0.3822 |
119 |
858987904 |
0.0200 |
0.2578 |
198 |
1780040064 |
0.0200 |
0.2311 |
276 |
2513719040 |
0.0200 |
0.2578 |
120 |
997743360 |
0.0200 |
0.2311 |
199 |
1594577408 |
0.1400 |
0.2400 |
277 |
1949217920 |
0.0200 |
0.2311 |
121 |
1276742400 |
0.0200 |
0.2578 |
200 |
2144631680 |
0.1400 |
0.2400 |
278 |
2142377600 |
0.0200 |
0.2311 |
122 |
1102353024 |
0.7800 |
0.2756 |
201 |
2223122176 |
0.0200 |
0.2578 |
279 |
2836992512 |
0.1400 |
0.2400 |
123 |
1254277888 |
0.0200 |
0.2578 |
202 |
2273109248 |
0.0200 |
0.2311 |
280 |
2514979584 |
0.9000 |
0.2489 |
124 |
1467956096 |
0.0200 |
0.2311 |
203 |
1262979072 |
0.0200 |
0.2311 |
281 |
2121766656 |
0.7400 |
0.2756 |
125 |
1118123264 |
0.1400 |
0.2400 |
204 |
1750645760 |
0.7800 |
0.2756 |
282 |
1469228032 |
0.1400 |
0.2489 |
126 |
703298176 |
0.0200 |
0.2311 |
205 |
2026617856 |
0.0200 |
0.2578 |
283 |
2237297664 |
0.0200 |
0.2578 |
127 |
1041300992 |
0.7800 |
0.2756 |
206 |
1524459392 |
0.0200 |
0.2311 |
284 |
2723442432 |
0.0200 |
0.2311 |
128 |
1186793984 |
0.0200 |
0.2578 |
207 |
1914281216 |
0.7800 |
0.2756 |
285 |
2061232384 |
0.1400 |
0.4178 |
129 |
1707588608 |
0.0200 |
0.2311 |
208 |
2052387584 |
0.6600 |
0.2667 |
286 |
4096406272 |
0.1400 |
0.2400 |
130 |
1197914880 |
0.1400 |
0.2400 |
209 |
2308007168 |
0.8600 |
0.2489 |
287 |
2200782080 |
0.6600 |
0.2667 |
131 |
1134746880 |
0.0200 |
0.2311 |
210 |
1493044480 |
0.7800 |
0.2756 |
288 |
4462642688 |
0.0200 |
0.2667 |
132 |
1671448960 |
0.0200 |
0.2311 |
211 |
1653532800 |
0.0200 |
0.2578 |
289 |
4635218432 |
0.0200 |
0.2578 |
133 |
952089216 |
0.1400 |
0.2400 |
212 |
1853659648 |
0.0200 |
0.2578 |
290 |
1907252480 |
0.7800 |
0.2489 |
134 |
1495386368 |
0.0200 |
0.2311 |
213 |
2003286400 |
0.0200 |
0.2311 |
291 |
2566333184 |
0.1400 |
0.2400 |
135 |
1402537216 |
0.7800 |
0.2756 |
214 |
3524072448 |
0.6200 |
0.2667 |
292 |
2573009408 |
0.0200 |
0.2311 |
136 |
1070168256 |
0.0200 |
0.2667 |
215 |
1212783104 |
0.0200 |
0.2578 |
293 |
2672307968 |
0.0200 |
0.2311 |
137 |
1570465664 |
0.6600 |
0.2756 |
216 |
1640945152 |
0.7800 |
0.2756 |
294 |
3064024832 |
0.0200 |
0.2311 |
138 |
1050173440 |
0.0200 |
0.2311 |
217 |
2401485824 |
0.7400 |
0.2400 |
295 |
2667590912 |
0.0200 |
0.2311 |
139 |
1590534912 |
0.0200 |
0.2311 |
218 |
2813272832 |
0.0200 |
0.2311 |
296 |
2991909888 |
0.0200 |
0.2667 |
140 |
1385644032 |
0.0200 |
0.2311 |
219 |
1955955456 |
0.0200 |
0.2400 |
297 |
2412551424 |
0.0200 |
0.2311 |
141 |
973767424 |
0.0200 |
0.2311 |
220 |
1728384640 |
0.0200 |
0.2311 |
298 |
3165929472 |
0.8200 |
0.2667 |
142 |
1451272704 |
0.1400 |
0.2400 |
221 |
1450348032 |
0.0200 |
0.2311 |
299 |
3392272128 |
0.7800 |
0.2667 |
143 |
1366630016 |
0.1400 |
0.2400 |
222 |
1824955648 |
0.0200 |
0.2311 |
300 |
3076950528 |
0.7800 |
0.2756 |
144 |
1727674624 |
0.0200 |
0.2311 |
223 |
2479154176 |
0.7800 |
0.2756 |
301 |
2982249216 |
0.7800 |
0.2756 |
145 |
1439511296 |
0.0200 |
0.2667 |
224 |
2508442624 |
0.0200 |
0.2578 |
302 |
2697619968 |
0.0200 |
0.2667 |
146 |
933924608 |
0.0200 |
0.2667 |
225 |
2293861632 |
0.0200 |
0.2578 |
303 |
3376791808 |
0.0200 |
0.2667 |
147 |
1507511040 |
0.7400 |
0.2400 |
226 |
3501507840 |
0.7800 |
0.2756 |
304 |
2241086464 |
0.0200 |
0.2578 |
148 |
1488259584 |
0.0200 |
0.2578 |
227 |
2349230848 |
0.0200 |
0.2311 |
305 |
3647111424 |
0.0200 |
0.2578 |
149 |
1214323712 |
0.0200 |
0.2311 |
228 |
2497970176 |
0.7800 |
0.2489 |
306 |
2559231232 |
0.0200 |
0.2311 |
150 |
1067621632 |
0.0200 |
0.2311 |
229 |
2002175488 |
0.0200 |
0.2311 |
307 |
2253571328 |
0.0200 |
0.2311 |
151 |
1728514560 |
0.0200 |
0.2667 |
230 |
2284056320 |
0.0200 |
0.2667 |
308 |
4546513920 |
0.0200 |
0.2400 |
152 |
2220696576 |
0.7800 |
0.2756 |
231 |
1623934464 |
0.0200 |
0.2578 |
309 |
3752149760 |
0.6600 |
0.2667 |
153 |
2287865344 |
0.1400 |
0.4178 |
232 |
1795008128 |
0.0200 |
0.2578 |
310 |
3562893568 |
0.8600 |
0.2578 |
154 |
1043880256 |
0.7800 |
0.2756 |
232 |
1795008128 |
0.0200 |
0.2578 |
|
|
|
|
155 |
1726681216 |
0.0200 |
0.2311 |
233 |
2005602816 |
0.0200 |
0.2578 |
|
|
|
|
Fig. 5. Accuracy, Loss y MSE para cada uno de los 233 modelos de dos capas ocultas entrenados considerando diversas alternativas de nmero de neuronas en la primera capa oculta.
El anlisis sistemtico, segn la Tabla 5 y Figura 5, identific que la configuracin ptima fue de 91 neuronas en la segunda capa oculta, logrando una precisin de aproximadamente 90% y sirviendo como base para transferencia de aprendizaje en modelos de mayor profundidad. La evaluacin revel que aumentar el nmero de neuronas eleva el Loss y el MSE, mientras el Accuracy tiende a incrementarse, aunque sin garantas de mejora adicional significativa. El entrenamiento iterativo y la arquitectura final de dos capas ocultas (155 y 91 neuronas) se presentan en las Figuras 6.y 7.
Fig. 6. Proceso de entrenamiento de la red neuronal propuesta de dos capas ocultas
Fig. 7. Arquitectura de la red neuronal propuesta de dos capas ocultas
Modelo secuencial de tres capas ocultas. El modelo secuencial de tres capas ocultas fue evaluado para determinar si superaba las mtricas de la arquitectura de dos capas. Se entrenaron diversas configuraciones manteniendo la funcin ReLU, regularizacin L2, inicializacin Glorot y Dropout (80% activas). El optimizador fue Adam (learning-rate 0.1, decaimiento 1/500, momentum 0.8, β_1=0.9, β_2=0.999, AMSGrad). El rango de bsqueda de neuronas para la tercera capa fue de 45 a 182 neuronas, acorde a la mitad y el doble de las 91 entradas. Los resultados comparativos se muestran en la Tabla 6 y la Figura 6, destacando el impacto de la arquitectura en el rendimiento del modelo.
Tabla 6. Mtricas de desempeo para diferentes configuraciones de redes neuronales con tres capas ocultas
Nmero de neuronas |
loss |
accuracy |
mse |
Nmero de neuronas |
loss |
accuracy |
mse |
Nmero de neuronas |
loss |
accuracy |
mse |
45 |
7.0535E+12 |
0.02 |
0.44 |
91 |
1.5312E+12 |
0.78 |
0.28 |
137 |
1.6788E+13 |
0.02 |
0.26 |
46 |
4.0409E+12 |
0.02 |
0.23 |
92 |
1.004E+13 |
0.02 |
0.26 |
138 |
1.7192E+12 |
0.02 |
0.26 |
47 |
3.696E+12 |
0.02 |
0.23 |
93 |
4.2581E+12 |
0.02 |
0.23 |
139 |
2.0188E+12 |
0.78 |
0.28 |
48 |
3.696E+12 |
0.02 |
0.23 |
94 |
1.1847E+13 |
0.02 |
0.23 |
140 |
1.6509E+13 |
0.02 |
0.23 |
49 |
5.7268E+12 |
0.14 |
0.42 |
95 |
3.3478E+12 |
0.14 |
0.42 |
141 |
1.4861E+13 |
0.02 |
0.26 |
50 |
4.1493E+12 |
0.02 |
0.23 |
96 |
1.1863E+13 |
0.78 |
0.28 |
142 |
3.7655E+12 |
0.02 |
0.26 |
51 |
4.829E+12 |
0.78 |
0.28 |
97 |
9.5812E+12 |
0.02 |
0.26 |
143 |
1.6171E+13 |
0.02 |
0.26 |
52 |
6.0936E+12 |
0.78 |
0.28 |
98 |
4.6867E+12 |
0.02 |
0.23 |
144 |
2.036E+13 |
0.02 |
0.23 |
53 |
6.012E+12 |
0.02 |
0.23 |
99 |
4.432E+12 |
0.02 |
0.26 |
145 |
1.4588E+13 |
0.02 |
0.26 |
54 |
4.13E+12 |
0.14 |
0.42 |
100 |
1.2003E+13 |
0.78 |
0.28 |
146 |
1.6788E+13 |
0.02 |
0.23 |
55 |
6.8255E+12 |
0.02 |
0.26 |
101 |
1.1165E+13 |
0.02 |
0.26 |
147 |
8.3741E+12 |
0.02 |
0.23 |
56 |
1.77E+12 |
0.02 |
0.23 |
102 |
1.2715E+13 |
0.02 |
0.23 |
148 |
1.5736E+13 |
0.78 |
0.28 |
57 |
5.3943E+12 |
0.78 |
0.28 |
103 |
1.0972E+13 |
0.02 |
0.23 |
149 |
1.5737E+13 |
0.02 |
0.26 |
58 |
5.3113E+12 |
0.14 |
0.42 |
104 |
9.0342E+12 |
0.78 |
0.28 |
150 |
1.5962E+13 |
0.02 |
0.26 |
59 |
7.2062E+12 |
0.78 |
0.28 |
105 |
1.0827E+13 |
0.02 |
0.23 |
151 |
1.6843E+13 |
0.14 |
0.42 |
60 |
6.7915E+12 |
0.02 |
0.26 |
106 |
3.0308E+12 |
0.02 |
0.26 |
152 |
1.4812E+13 |
0.14 |
0.42 |
61 |
7.5949E+12 |
0.02 |
0.23 |
107 |
9.4338E+12 |
0.02 |
0.23 |
153 |
6.1738E+12 |
0.02 |
0.23 |
62 |
1.0152E+13 |
0.02 |
0.26 |
108 |
1.9213E+12 |
0.02 |
0.26 |
154 |
1.4517E+13 |
0.02 |
0.26 |
63 |
8.02E+12 |
0.14 |
0.42 |
109 |
1.1029E+13 |
0.02 |
0.23 |
155 |
1.4688E+13 |
0.78 |
0.28 |
64 |
4.5622E+12 |
0.02 |
0.23 |
110 |
1.117E+13 |
0.78 |
0.28 |
156 |
2.9031E+12 |
0.02 |
0.23 |
65 |
7.1167E+12 |
0.02 |
0.26 |
111 |
9.9605E+12 |
0.02 |
0.26 |
157 |
1.8454E+13 |
0.02 |
0.23 |
66 |
5.8011E+12 |
0.02 |
0.26 |
112 |
1.3908E+13 |
0.02 |
0.23 |
158 |
5.8812E+12 |
0.78 |
0.28 |
67 |
6.5718E+12 |
0.02 |
0.26 |
113 |
2.6052E+12 |
0.02 |
0.26 |
159 |
1.7281E+13 |
0.02 |
0.26 |
68 |
8.7676E+12 |
0.78 |
0.28 |
114 |
1.3853E+13 |
0.02 |
0.26 |
160 |
1.7867E+13 |
0.78 |
0.28 |
69 |
7.7679E+12 |
0.78 |
0.28 |
115 |
1.0313E+13 |
0.02 |
0.41 |
161 |
1.8385E+13 |
0.02 |
0.23 |
70 |
7.0425E+12 |
0.02 |
0.44 |
116 |
1.212E+13 |
0.78 |
0.28 |
162 |
3.879E+12 |
0.02 |
0.26 |
71 |
9.0507E+11 |
0.02 |
0.23 |
117 |
1.0593E+13 |
0.78 |
0.28 |
163 |
1.7032E+13 |
0.02 |
0.26 |
72 |
7.4678E+12 |
0.02 |
0.23 |
118 |
1.1276E+13 |
0.02 |
0.26 |
164 |
1.6118E+13 |
0.02 |
0.23 |
73 |
9.0304E+12 |
0.02 |
0.26 |
119 |
1.1781E+13 |
0.78 |
0.28 |
165 |
1.6216E+13 |
0.78 |
0.28 |
74 |
8.6438E+12 |
0.02 |
0.26 |
120 |
1.2392E+13 |
0.02 |
0.22 |
166 |
1.8872E+13 |
0.78 |
0.28 |
75 |
4.2447E+12 |
0.02 |
0.23 |
121 |
1.0412E+13 |
0.02 |
0.23 |
167 |
1.3251E+13 |
0.02 |
0.23 |
76 |
9.8742E+12 |
0.02 |
0.26 |
122 |
4.7435E+12 |
0.02 |
0.26 |
168 |
1.759E+13 |
0.02 |
0.26 |
77 |
9.9887E+12 |
0.02 |
0.26 |
123 |
1.3334E+13 |
0.78 |
0.28 |
169 |
1.6664E+13 |
0.02 |
0.26 |
78 |
1.9025E+12 |
0.02 |
0.26 |
124 |
1.2339E+13 |
0.78 |
0.28 |
170 |
1.6708E+13 |
0.02 |
0.44 |
79 |
9.4601E+12 |
0.78 |
0.28 |
125 |
5.6641E+12 |
0.78 |
0.28 |
171 |
1.5353E+13 |
0.02 |
0.26 |
80 |
6.9649E+12 |
0.02 |
0.23 |
126 |
1.3984E+13 |
0.78 |
0.28 |
172 |
1.6881E+13 |
0.02 |
0.26 |
81 |
9.6588E+12 |
0.78 |
0.28 |
127 |
1.4169E+13 |
0.02 |
0.26 |
173 |
1.6789E+13 |
0.02 |
0.23 |
82 |
1.0224E+13 |
0.02 |
0.23 |
128 |
1.0506E+13 |
0.02 |
0.26 |
174 |
1.8267E+13 |
0.78 |
0.28 |
83 |
7.4756E+11 |
0.02 |
0.23 |
129 |
1.5788E+13 |
0.78 |
0.28 |
175 |
1.7919E+13 |
0.02 |
0.26 |
84 |
8.5131E+12 |
0.02 |
0.23 |
130 |
1.4811E+13 |
0.02 |
0.26 |
176 |
2.3796E+13 |
0.02 |
0.23 |
85 |
2.2614E+12 |
0.02 |
0.23 |
131 |
1.4825E+13 |
0.02 |
0.23 |
177 |
2.2147E+12 |
0.02 |
0.23 |
86 |
7.9832E+12 |
0.78 |
0.28 |
132 |
1.297E+13 |
0.02 |
0.26 |
178 |
1.7563E+13 |
0.78 |
0.28 |
87 |
8.4811E+12 |
0.02 |
0.23 |
133 |
1.6285E+13 |
0.78 |
0.28 |
179 |
1.6999E+13 |
0.78 |
0.28 |
88 |
4.6499E+12 |
0.78 |
0.28 |
134 |
1.7304E+13 |
0.78 |
0.28 |
180 |
9.0775E+12 |
0.14 |
0.42 |
89 |
4.6769E+12 |
0.02 |
0.23 |
135 |
1.0764E+13 |
0.78 |
0.28 |
181 |
1.7525E+13 |
0.78 |
0.28 |
90 |
1.1152E+13 |
0.02 |
0.23 |
136 |
1.4732E+13 |
0.02 |
0.23 |
182 |
2.0201E+13 |
0.78 |
0.28 |
Fig. 8. Accuracy, Loss y MSE para cada uno de los 138 modelos de tres capas ocultas entrenados considerando diversas alternativas de nmero de neuronas en la primera capa oculta.
El anlisis sistemtico reflejado en la Tabla 6 y la Figura 8 mostr que la configuracin con 52 neuronas en la tercera capa oculta logr una precisin de casi 90%, aunque no super el desempeo del modelo de dos capas ocultas (155 y 91 neuronas), por lo que este ltimo fue elegido como arquitectura final. Adems, la Figura 8 reporta que agregar ms neuronas llev a descensos en precisin y aumentos en Loss y MSE, indicando sobreajuste. La estructura y entrenamiento del modelo de tres capas se ilustran en las Figuras 9 y 10.
Fig. 9. Proceso de entrenamiento de la red neuronal propuesta de tres capas ocultas
Fig. 10. Arquitectura de la red neuronal propuesta de tres capas ocultas
Anlisis de correlacin. Para evaluar el aporte individual de cada predictor en el modelo de Deep Learning para Burnout, se realiz un anlisis de correlacin usando corrr en R, centrando y normalizando las variables. Los resultados, mostrados en las Figuras 11, 12 y 13, permitieron identificar el impacto especfico de cada predictor sobre cansancio emocional alto, despersonalizacin alta y realizacin personal baja, facilitando as la interpretacin de los factores ms influyentes en el sndrome de Burnout.
Fig. 11. Anlisis de correlacin de cada predictor respecto a la variable cansancio emocional alto obtenido mediante el modelo de Deep Learning de dos capas ocultas.
Fig. 12. Anlisis de correlacin de cada predictor respecto a la variable despersonalizacin alta obtenido mediante el modelo de Deep Learning de dos capas ocultas
Fig. 13. Anlisis de correlacin de cada predictor respecto a la variable realizacin personal baja obtenido mediante el modelo de Deep Learning de dos capas ocultas.
Discusin
El estudio presenta una innovacin metodolgica significativa en la evaluacin automatizada del sndrome de Burnout en el contexto hospitalario de Tulcn, Ecuador, mediante una red neuronal profunda optimizada con regularizacin avanzada y transferencia de aprendizaje. A diferencia de investigaciones previas como el de [20], que analizaron solo el cansancio emocional, el modelo propuesto evala integralmente las tres dimensiones del Inventario Maslach de Burnout (MBI): agotamiento emocional, despersonalizacin y realizacin personal, permitiendo as una valoracin ms representativa del estado psicoemocional del personal mdico.
Una de las principales novedades es la ampliacin del cuestionario de Burnout al incluir 20 variables categricas adicionales de tipo cualitativo y demogrfico (por ejemplo, estado civil, nmero de hijos, percepcin emocional, frecuencia de contagios por COVID-19, tipo de servicio hospitalario), logrando un modelo altamente personalizado cuyos resultados diagnsticos superan los enfoques generalistas. Esta estrategia responde a crticas en la literatura [12], [19], sobre la limitada validez universal del MBI en diferentes contextos.
El modelo alcanz una precisin superior al 90%, utilizando una arquitectura de dos capas ocultas con 155 y 91 neuronas respectivamente, seleccionada tras evaluar ms de 500 configuraciones. La aplicacin de regularizacin L2, dropout y transfer learning mejor la capacidad predictiva frente a mtodos convencionales. En contraste, el estudio de [20] emple una red con cinco capas ocultas solo para agotamiento emocional, logrando un 86% de precisin y sin abarcar otras dimensiones ni realizar un anlisis multivariable profundo. El modelo desarrollado aqu integra nueve neuronas de salida que representan la combinacin de intensidades en las tres dimensiones del burnout, capturando la complejidad inherente al fenmeno y produciendo predicciones matizadas.
El uso de PCA y la distancia de Mahalanobis para la seleccin de variables y exclusin de valores atpicos aporta una base estadstica robusta, enriqueciendo la validez de los resultados mediante la integracin de estadstica avanzada con inteligencia artificial. Por ltimo, este trabajo enfatiza la importancia de adaptar los modelos de machine learning al contexto local, pues asumir la validez universal de una sola herramienta diagnstica ha resultado insuficiente [5], [18]. El modelo propuesto demuestra que integrar datos especficos del entorno social, laboral y sanitario permite desarrollar herramientas ms precisas, equitativas y tiles para prevenir y gestionar el sndrome de Burnout en escenarios hospitalarios.
Conclusin
El estudio confirm la eficacia de un modelo de inteligencia artificial para la valoracin del sndrome de Burnout en el personal mdico del Hospital Luis G. Dvila, utilizando redes neuronales profundas (DNN) y mtodos estadsticos multivariantes como PCA y distancia de Mahalanobis. La arquitectura ptima, con dos capas ocultas (155 y 91 neuronas), logr una precisin del 90%, superando ampliamente a la regresin logstica multinomial (11.17%). El uso de regularizacin L2, dropout y el optimizador Adam con AMSGrad evit el sobreajuste y optimiz el entrenamiento. La implementacin en R y Python con TensorFlow y Keras favoreci la integracin tecnolgica. El anlisis de correlacin identific variables clave, como horas de trabajo y percepcin emocional, que influyen en las dimensiones del Burnout. Adems, el modelo incorpor 20 variables categricas especficas del personal de salud de Tulcn, ofreciendo un mtodo ms preciso y potente que el test tradicional en este contexto especfico. Estos resultados resaltan la importancia de enfoques innovadores y sistemticos en el abordaje del Burnout con inteligencia artificial y validan la utilidad de combinar tcnicas estadsticas y de aprendizaje profundo en contextos clnicos y ocupacionales.
Referencias
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