Bruno Miguel Vieira Fernandes
Sistema de Monitorização e Gestão deSinais Vitais baseado em Dispositivos Móveis
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Universidade do MinhoEscola de Engenharia
Dezembro de 2011
Tese de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau deMestre em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores
Trabalho efetuado sob a orientação doProfessor Doutor José Augusto AfonsoProfessor Doutor Ricardo João Ferreira Simões
Bruno Miguel Vieira Fernandes
Sistema de Monitorização e Gestão deSinais Vitais baseado em Dispositivos Móveis
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis iii
Agradecimentos
A realização do trabalho de dissertação apresentado resulta de um longo
processo de desenvolvimento que não pôde deixar de contar com a contribuição de
inúmeras pessoas e instituições. Aqui quero deixar expressa a minha gratidão para
com todos que direta ou indiretamente me ajudaram a atingir este objetivo.
Quero agradecer aos meus orientadores, Professor José Augusto Afonso e
Professor Ricardo Simões, pelas importantes indicações dadas durante o projeto, mas
a cima de tudo pela disponibilidade e paciência que sempre demonstraram.
À Helena, por todo o apoio e incentivo e amizade, que sem dúvida ajudaram a
tornar todo o trabalho mais fácil.
Ao Duarte, pelos conhecimentos e valiosas informações transmitidas durante a
fase inicial da dissertação.
Ao Hospital Privado de Guimarães por ter disponibilizado as condições
necessárias à realização de testes clínicos, durante a fase de validação do projeto, e
ainda a todos seus enfermeiros e médicos que, posteriormente, participaram no
processo de avaliação.
Ao Doutor Otílio Rodrigues pelas relevantes observações efetuadas durante o
desenvolvimento e também pelas palavras de aprovação para com o trabalho final
apresentado.
Aos meus amigos pelo apoio, amizade e alegria que sempre me transmitiram.
Por último, mas não menos importante, à minha família por nunca me ter
deixado de me incentivar, durante a realização deste projeto, mas principalmente pelo
amor incondicional e pelas condições dadas para que sempre pudesse alcançar os
meus objetivos.
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis v
Resumo
O crescimento exponencial da utilização de equipamentos de computação e
comunicação móveis, a que temos assistido nos últimos anos, está diretamente
relacionado com as elevadas potencialidades e constantes inovações que lhes têm sido
conferidas. A área da medicina é uma das muitas que tem encontrado aplicabilidade
para estes equipamentos, e que, em associação com as mais recentes tecnologias de
mensuração e análise de sinais vitais tornou possível a construção de um novo
paradigma de monitorização médica.
Nesta dissertação é apresentado um sistema de gestão e monitorização que
recorre a um dispositivo móvel para efetuar o acompanhamento clínico de pacientes.
Este sistema foi desenvolvido como parte integrante do projeto de monitorização de
sinais vitais, MOHLL, que foi desenvolvido em parceria com o Hospital privado de
Guimarães, e para o qual foram criados de raiz os sensores wireless, a rede ZigBee de
encaminhamento de dados, o servidor de dados, e o Website para interação com os
restantes elementos do projeto.
O principal objetivo desta dissertação é permitir que pacientes não-críticos, em
internamento hospitalar ou doméstico, possam ter os seus dados vitais
permanentemente acompanhados por pessoal médico especializado, através de um
PDA com acesso à Internet.
Os sinais vitais passiveis de serem monitorizados são o ritmo cardíaco, a
temperatura corporal e o eletrocardiograma (ECG), mas existe ainda a possibilidade
alargamento aos sinais de oximetria e de pressão arterial, para os quais o sistema já se
encontra preparado.
Esta dissertação descreve o trabalho de integração no projeto MOHLL, do
sistema de monitorização e gestão com recurso a dipositivos móveis. Partindo de uma
primeira análise ao projeto e ao conjunto de características que a aplicação móvel
deveria possuir, é feita uma explicação de todo o processo de desenvolvimento e
implementação das funções disponibilizadas por esta aplicação. São ainda
apresentados os resultados das simulações operacionais e avaliações médicas que
permitiram validar o sistema desenvolvido como um instrumento adequado para a
monitorização de sinais vitais em tempo real.
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis vii
Abstract
In the past few years, we have witnessed an exponential growth of the mobile
communication and computing devices usage, which is directly related with the high
potential and constant features innovation that have been conferred upon them. The
medical field is one of the many which have found a particular use for these devices,
which alongside the latest vital signs acquisition and analysis technologies have made
possible the emergence of a new health monitoring paradigm.
This dissertation presents a monitoring and management system which uses a
mobile device to follow the health condition of inpatients. This system was developed
as a complement of a complete vital signs monitoring system, MOHLL project, which
was developed in partnership with the Guimarães Private Hospital, and for which were
designed from scratch the wireless sensors, the ZigBee network for data routing, the
data server, and the Website used to interact with the other project components.
The dissertation main objective is to allow hospital or home based non-critical
patients, to be continuously followed by a specialist physician, through an Internet-
connected PDA.
There are three types of signs which can be monitored through this system, they
are the heart rate, the body temperature and the ECG. However, there are also
implemented the necessary functions to address the oximetry and blood pressure
signals.
This dissertation provides a detailed description of the work carried out in order
to integrate the handset mobile monitoring and management system with the MOHLL
project. Starting from an initial analysis to the set of features that the mobile
application should be equipped with, the whole development and implementation
process of the provided functions is then explained. Also, there are presented the
operational test results and medical evaluation stats and comments that validated the
developed system as a suitable tool in the real-time vital signs monitoring process.
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis ix
Índice
Agradecimentos .................................................................................................................................... iii
Resumo .................................................................................................................................................. v
Abstract ............................................................................................................................................... vii
Índice .................................................................................................................................................... ix
Lista de Figuras ..................................................................................................................................... xi
Lista de Tabelas .................................................................................................................................. xiii
Lista de Abreviaturas ........................................................................................................................... xv
CAPÍTULO 1 Introdução ................................................................................................................ 1
1.1. Motivação e Enquadramento ......................................................................................................... 1
1.2. Objetivos ........................................................................................................................................ 5
1.3. Organização da Dissertação ........................................................................................................... 6
CAPÍTULO 2 Estado da Arte .......................................................................................................... 9
2.1. Introdução ...................................................................................................................................... 9
2.2. Classificação de Sistemas de Recolha e Transmissão de Sinais Cardíacos via PDA/Smartphones 10
2.3. Sistemas sem Análise Intermédia de Dados ................................................................................. 11
2.3.1. Secure Mobile Computing ................................................................................................. 11
2.3.2. Mobile Telemedicine System for Home Care and Patient Monitoring ............................. 12
2.3.3. A PDA-based Portable Wireless ECG Monitor for Medical Personal Area Networks ........ 14
2.4. Sistemas com Análise Intermédia de Dados................................................................................. 15
2.4.1. Wearable ECG-recording System for Continuous Arrhythmia Monitoring in a
Wireless Tele-Home-Care Situation .................................................................................................. 16
2.4.2. EPI- MEDICS ....................................................................................................................... 17
2.5. Outros Sistemas............................................................................................................................ 19
2.5.1. A Web Base System for ECG Data Transferred using ZigBee/IEEE Technology................. 19
2.5.2. Code Blue .......................................................................................................................... 21
CAPÍTULO 3 Projeto MOHLL ....................................................................................................... 23
3.1. Introdução .................................................................................................................................... 23
3.2. Sensores ....................................................................................................................................... 24
3.2.1. Eletrocardiograma............................................................................................................. 26
3.2.2. Ritmo Cardíaco .................................................................................................................. 28
3.2.3. Temperatura Corporal ...................................................................................................... 28
3.3. Rede ZigBee .................................................................................................................................. 29
3.3.1. Pilha protocolar ZigBee/IEEE 802.15.4 .............................................................................. 30
3.3.2. Arquitetura da Rede .......................................................................................................... 31
3.3.3. Routers e Coordenadores de Rede ................................................................................... 33
3.4. Sistema de Gestão e Visualização de Dados ................................................................................ 34
3.4.1. Aplicação de Recolha de Dados ........................................................................................ 35
3.4.2. Base de Dados ................................................................................................................... 37
3.4.3. Interface da Aplicação Web .............................................................................................. 38
3.4.4. Monitorização ................................................................................................................... 40
CAPÍTULO 4 Sistema de Monitorização e Gestão Móvel ............................................................. 43
Índice
x Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
4.1. Introdução .................................................................................................................................... 43
4.2. Conceitos Teóricos e Hardware .................................................................................................... 44
4.2.1. Equipamentos Móveis ....................................................................................................... 45
4.2.2. Sistemas de Comunicação ................................................................................................. 47
4.2.3. Software ............................................................................................................................ 49
4.3. Estrutura e Análise Funcional das Aplicações Desenvolvidas ...................................................... 54
4.3.1. Análise de Requisitos ........................................................................................................ 54
4.3.2. Servidor – Suporte a Aplicações Móveis ........................................................................... 55
4.3.3. Aplicação para o PDA ........................................................................................................ 59
CAPÍTULO 5 Resultados Experimentais e Discussão.................................................................... 75
5.1. Introdução .................................................................................................................................... 75
5.2. Testes Não Funcionais .................................................................................................................. 76
5.3. Avaliação Médica ......................................................................................................................... 78
CAPÍTULO 6 Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro ........................................................... 81
6.1. Conclusões .................................................................................................................................... 81
6.2. Trabalho Futuro ............................................................................................................................ 82
Referências .......................................................................................................................................... 83
Anexo I ................................................................................................................................................ 87
Anexo II ............................................................................................................................................... 89
Anexo III .............................................................................................................................................. 91
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis xi
Lista de Figuras
Figura 1.1 - Estrutura do projeto MOHLL. .................................................................................................... 4
Figura 1.2 - Esquema de integração no projeto MOHLL. .............................................................................. 5
Figura 2.1 - Representação do sinal de ECG recebido [JurWe08]. ............................................................. 12
Figura 2.2 - Estrutura do sistema proposto (adaptada de [FigDi04]). ........................................................ 13
Figura 2.3 - Esquemas de monitorização permitidos pelo sistema [CaGoAl06]. ........................................ 14
Figura 2.4 - À esquerda, o sensor e o HDD. À direita, as diferentes partes do HDD [FeGu05]. ................. 16
Figura 2.5 - Arquitetura simplificada do sistema EPI-MEDICS [RuFaNo05]. ............................................... 18
Figura 2.6 - Estrutura do sistema criado [KhWaNa08]. .............................................................................. 19
Figura 2.7 - Software desenvolvido para o PDA [KhWaNa08]. ................................................................... 20
Figura 2.8 - Rede wireless criada por sensores e dispositivos móveis [We05]........................................... 21
Figura 3.1 - Arquitetura geral do sistema [FeAfCoSi10]. ............................................................................ 24
Figura 3.2 - Esquemático do sensor de ECG: (a) módulo de aquisição, (b) módulo de acondicionamento, (c) módulo de alimentação e (d) módulo de comunicação [Ma09]. .......................... 26
Figura 3.3 - Sensor de ECG e encapsulamento. (1) led indicador de atividade; (2) pilha; (3) interrutor ON/OFF; (4) módulo ZigBee; (5) representação de forma como orientação. ............................................ 27
Figura 3.4 - Representação gráfica do ciclo cardíaco com a indicação de cada uma das ondas do ECG e do intervalo entre as ondas R [TeBu10]. ................................................................................................. 28
Figura 3.5 - Arquitetura alto-nível da comunicação baseada em sistemas ZigBee. ................................... 31
Figura 3.6 - Topologias de rede ZigBee (adaptado de [NaIn10]). ............................................................... 31
Figura 3.7 - Protótipos de redes ZigBee aplicadas ao projeto MOHLL, implantadas através da topologia em malha (adaptado de [FeAfCoSi10]). ..................................................................................... 32
Figura 3.8 – Encapsulamento; Router/Coordenar de rede; antena. .......................................................... 33
Figura 3.9 - Serviços do sistema de gestão de dados e respetivas ligações. .............................................. 35
Figura 3.10 - Modelo Entidade - Relação da Base de Dados [Pe09]. .......................................................... 38
Figura 3.11 - Estrutura do Website para interação com os utilizadores [Pe09]. ........................................ 39
Figura 3.12 - Applet destinado a cada paciente. ........................................................................................ 40
Figura 3.13 – Janela de histórico de temperatura de um paciente ............................................................ 42
Figura 4.1 - Sistema de Monitorização e Gestão (Subsistema Móvel - a vermelho) [Adaptada de Pe09]. ......................................................................................................................................................... 44
Figura 4.2 - Qtek 9090 [Gsm10]. ................................................................................................................. 46
Figura 4.3 - Arquitetura da plataforma .Net Compact Framework [NCF11] .............................................. 51
Figura 4.4 - Relação entre os blocos do servidor ........................................................................................ 56
Figura 4.5 - Distribuição por camadas da AAD (exclusivamente para o Web Browser) [Pe09]. ................. 58
Figura 4.6 - Arquitetura do sistema de suporte à aplicação PDA [adaptada de FeAfSi11] ........................ 58
Figura 4.7 - Diagrama da interface da aplicação. ....................................................................................... 61
Figura 4.8 - Diagrama do processo de comunicação. ................................................................................. 62
Figura 4.9 - Janela de autenticação. ........................................................................................................... 63
Índice de Figuras
xii Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
Figura 4.10 – Menu: esq. Monitorização; dir. Gestão de Pacientes ........................................................... 64
Figura 4.11 - Menu - Gestão de Sensores ................................................................................................... 64
Figura 4.12 - Janela Inserir Paciente (esq.); Janela Editar Paciente (dir.). .................................................. 65
Figura 4.13 - Janela Configurar Alertas ....................................................................................................... 66
Figura 4.14 - Janela Listar Associações esq.; Janela Associar Sensor dir. ................................................... 67
Figura 4.15 - Janela Inserir Sensor .............................................................................................................. 68
Figura 4.16 - Janela de Monitorização. ....................................................................................................... 69
Figura 4.17 - Janela Histórico de ECG ......................................................................................................... 70
Figura 4.18 - Janela Histórico de Temperatura. ......................................................................................... 71
Figura 4.19 - Escala da area de representação do sinal de ECG ................................................................. 72
Figura 4.20 - Funcionamento da Janela de Monitorização......................................................................... 73
Figura 4.21 - Janela de Recuperação de erros de ligação ........................................................................... 74
Figura 5.1 - Organização do sistema de monitorização durante a fase de testes ...................................... 75
Figura 5.2 - Teste efetuado por um profissional de saúde do HPG [FeAfSi11]........................................... 79
Figura 5.3 - Distribuição dos resultados da avaliação efetuada ................................................................. 80
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis xiii
Lista de Tabelas
Tabela I - Especificações protocolares das medições enviadas para a ARD ............................................... 36
Tabela II – Consumo energético e autonomia do PDA em função de diferentes modos de funcionamento ........................................................................................................................................... 76
Tabela III - Tempos de acesso às diferentes áreas do sistema ................................................................... 77
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis xv
Lista de Abreviaturas
AAD – Aplicação de Acesso aos Dados
ADC – Analog-to-Digital Converter
API – Application Programming Interface
APS – Application Support Sub-Layer
ARD – Aplicação de Recolha de Dados
BD – Base de Dados
CPU – Central Processing Unit
ECG – Eletrocardiograma
EHR – Electronic Health Record
EMG – Eletromiografia
GMT – Greenwich Mean Time
GPRS – General Packet Radio Service
GSM – Global System for Mobile Communications
HHD – Hand Held Device
HSPA – High Speed Packet Access
HTTP – Hypertext Transfer Protocol
HPG – Hospital Privado de Guimarães
IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers
IP – Internet Protocol
JSP – Java Server Pages
MAC – Media Access Control
MIDP – Mobile Imformation Device Profile
MOHLL – Mobile Health Living Lab
MOLEC – Monitorización On-Line de Enfermos del Corazón
NWK – Network Layer
OEM – Original Equipment Manufacturer
PC – Personal Computer
PCMCIA – Personal Computer Memory Card International Association
PDA – Personal Digital Assistant
PEM – Personal ECG Monitor
Lista de Abreviaturas
xvi Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
PHP – Hypertext Preprocessor
PHY – Physical Layer
RF – Radio Frequency
SDK – Software Development Kit
SGBD – Sistema Gestor de Base de Dados
SMS – Short Message Service
TCP – Transmission Control Protocol
UDP – User Datagram Protocol
UIT – União Internacional de Telecomunicações
UMTS – Universal Mobile Telecommunications System
URI – Uniform Resource Identifier
WPAN – Wireless Personal Area Network
XML – Extensible Markup Language
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 1
CAPÍTULO 1
Introdução
Monitorizar um sistema ou atividade significa supervisionar, controlar, avaliar,
uma série de indicadores representativos do seu desempenho, ou seja, é a operação
que permite caracterizar o seu estado ou funcionamento.
No ambiente que nos rodeia existe uma grande quantidade de informação que
nos passa despercebida, ou simplesmente é ignorada por não nos parecer importante
ou ser inacessível. A tecnologia constitui um meio para aumentar a capacidade de o
ser humano captar e analisar essas informações, de modo a melhor interagir com o
meio circundante.
As tecnologias de monitorização médica são o meio que permite a recolha de
informações relativas a um elevado número de sinais fisiológicos, e que, quando
disponibilizados de forma fidedigna ao pessoal médico, são um importante
instrumento para uma análise precisa sobre o real estado de saúde do paciente
monitorizado.
1.1. Motivação e Enquadramento
Ao longo da última década (2000-2010), a utilização de dispositivos de
comunicações móveis, como telemóveis ou PDAs (Personal Digital Assistant), tem
registado uma elevada taxa de crescimento, levando a que os serviços de comunicação
disponibilizados por estes dispositivos sejam o meio de comunicação mais utilizado a
nível mundial. Dados da União Internacional das Telecomunicações (UIT) revelam que,
no fim de 2009, existiam cerca de 4,6 mil milhões de subscrições móveis ativas, o que
corresponde a 67% da população mundial, sendo que a taxa de penetração média nos
países desenvolvidos é superior a 100% [ITU10], como por exemplo em Portugal, onde,
no fim do segundo semestre de 2010, existiam mais de 15 milhões de estações móveis
ativas [AN10].
A enorme difusão dos serviços associados aos equipamentos de comunicação
móvel tem sido simultaneamente acompanhada pelo aumento das suas capacidades,
Capítulo 1 – Introdução
2 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
deixando de ser aparelhos em que apenas a comunicação por voz ou através de
mensagens escritas era permitida, para se tornarem verdadeiros dispositivos de
computação, com um número de aplicações cada vez maior. Inovações tecnológicas,
como o aumento de capacidade de processamento e memória, acesso a redes wireless
com cada vez maior largura de banda ou a utilização de sistemas operativos
desenvolvidos especialmente para dispositivos como PDAs e smartphones, vieram
possibilitar a execução de funções normalmente associadas aos PCs (Personal
Computers), como por exemplo o uso de ferramentas de produtividade do tipo MS
Office, suporte para conteúdos multimédia, acesso à Internet ou a possibilidade de
desenvolvimento de aplicações próprias.
Os sistemas de comunicação disponibilizados têm também sido amplamente
desenvolvidos, aumentando tanto em número como em capacidade, velocidade ou
alcance. A difusão das redes 2G e 3G veio permitir a utilização de sistemas de
comunicação que vão desde o GSM/GPRS até ao UMTS/HSPA, onde já são possíveis
taxas de transferências de dados até 7.2 Mbit/s [Gra09]. Para além dos serviços de
comunicação de longa distância disponibilizados pelas operadoras móveis, estes
dispositivos permitem também transferência de dados em redes sem fios de curto
alcance, como as ligações Bluetooth ou as redes WLAN, a partir das quais se pode ter
acesso à Internet com elevadas velocidades de comunicação.
Todas as evoluções relacionadas com os dispositivos móveis vieram alargar o
número e o tipo de aplicações possíveis para estes, tornando-os elementos
indispensáveis em algumas áreas e com potencial para o serem em muitas outras.
Uma das áreas onde existem várias oportunidades de utilização destes equipamentos
computacionais é na prestação de cuidados de saúde, em que o número de aplicações
disponíveis tem vindo a crescer nas mais variadas vertentes da medicina [SaKah10].
Teleconsultas, transmissão de resultados de exames, monitorização de sinais vitais,
sistemas de diagnóstico, acionamento de alarmes em casos de emergência, gestores
de medicação, nutrição ou exercício, acesso ao historial médico de pacientes, ou
simplesmente disponibilização de informação médica para fins educativos, são
algumas das aplicações comercialmente disponíveis para os smartphones, quer dos
prestadores de cuidados de saúde, quer dos pacientes.
A monitorização de sinais vitais é um recurso de inegável importância no campo
Capítulo 1 – Introdução
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 3
da medicina, pois permite um permanente acompanhamento da condição fisiológica
dos pacientes. Através deste recurso, o tempo de resposta a emergências clínicas pode
ser significativamente reduzido em relação a casos em que não são utilizados
quaisquer sistemas de monitorização, possibilitando assim a tomada de medidas no
sentido de impedir o agravamento do estado clínico dos pacientes. Simultaneamente,
através da constante análise dos sinais vitais recolhidos, estes sistemas podem servir
para a deteção de doenças ainda em fase inicial. No entanto, os sistemas de
monitorização ainda têm uma reduzida taxa de utilização, estando reservados na sua
maioria para casos de internamentos nos cuidados intensivos [FeAfCoSi10]. Para uma
ampliação do número de utilizadores destes sistemas nas unidades hospitalares, estes
devem permitir o controlo eficiente de gastos e ser o menos invasivos possível,
recorrendo a sensores tão impercetíveis quanto possível, pelo uso, por exemplo, de
meios de comunicação sem fios com as unidades de visualização.
As tecnologias wireless vieram permitir uma separação entre os instrumentos de
aquisição de dados e os monitores, com a distância entre estes dois blocos a variar em
função da arquitetura do sistema de monitorização, podendo ir desde alguns metros
quando apenas se recorre a comunicações locais, até a vários milhares de quilómetros,
caso haja possibilidade de transmissão de informações via Internet. Desta forma, uma
análise precisa de determinado tipo de sintomas pode ser conseguida através da
transmissão de dados em longas distâncias, sendo assim disponibilizados meios para
que médicos especialistas avaliem condições clínicas particulares, mesmo não estando
presencialmente disponíveis. Este aspeto é particularmente importante, atendendo à
falta destes profissionais nos mais variados centros hospitalares e em relação às mais
variadas áreas médicas.
As comunicações usando redes sem fios podem também conferir maior
mobilidade aos pacientes, permitindo que estes se desloquem, enquanto são
monitorizados, numa determinada zona formada por redes com múltiplos recetores,
que enviam a informação para uma central de gestão de dados.
Tomando em consideração todos os factos anteriormente expostos, foi
desenvolvido o projeto apresentado nesta dissertação. O seu objetivo é, recorrendo às
inovações promovidas nos telemóveis, PDAs e smartphones, bem como no campo das
comunicações wireless e no dos sensores de parâmetros fisiológicos, implementar um
Capítulo 1 – Introdução
4 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
sistema de monitorização e gestão de dados de pacientes com recurso a dispositivos
móveis.
Esta dissertação surge no âmbito do projeto MOHLL (Mobile Health Living Lab),
que surgiu de uma pareceria criada entre a Universidade do Minho e a Casa de Saúde
de Guimarães, com o objetivo de desenvolver um sistema de monitorização remota de
sinais vitais de pacientes não críticos.
Este projeto visa permitir que sinais fisiológicos como temperatura, ritmo
cardíaco ou eletrocardiograma (ECG) de pacientes que necessitem de um
acompanhamento contínuo sejam transmitidos para um servidor central, através de
uma rede de sensores sem fios, implementada através do protocolo
ZigBee/IEEE802.15.4. Esta unidade central tem como função a gestão, armazenamento
e disponibilização dos dados referentes quer aos valores dos sinais medidos, quer a
informações acerca dos pacientes, dos utilizadores do sistema ou dos sensores. Todas
as informações do sistema podem depois ser acedidas através de dispositivos com
ligação à internet, computadores ou PDAs/smartphones. A arquitetura do sistema de
monitorização é apresentada na Figura 1.1.
Figura 1.1 - Estrutura do projeto MOHLL.
O projeto MOHLL está dividido em várias partes, estando o desenvolvimento de
cada uma delas a cargo de um diferente elemento da equipa de investigadores que
Capítulo 1 – Introdução
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 5
constitui o grupo de trabalho. A descrição de cada uma dessas fases é feita de forma
mais detalhada no CAPÍTULO 3 da presente dissertação.
1.2. Objetivos
O intuito deste trabalho é fazer a integração no projeto MOHLL dos sistemas de
monitorização e gestão de dados recorrendo a dispositivos móveis. Na Figura 1.2 são
destacados os blocos correspondentes a esses sistemas dentro da arquitetura geral do
projeto.
Figura 1.2 - Esquema de integração no projeto MOHLL.
O dispositivo móvel deverá possibilitar, por intermédio de uma ligação à rede
local sem fios do hospital ou através da Internet, que os profissionais de saúde tenham
acesso a:
Visualização, em tempo real, de sinais vitais de pacientes, com a
apresentação do sinal ECG a ser feita de forma gráfica;
Representação da evolução de sinais ao longo do tempo (históricos);
Apresentação de sinais visuais de alarme para valores fora dos limites
pretendidos;
Representação do nível da bateria correspondente a cada sensor;
Capítulo 1 – Introdução
6 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
Gestão da informação dos pacientes: listar, inserir, editar e eliminar;
Gestão da informação referente aos sensores: listar, inserir e eliminar;
Configuração dos parâmetros de atividade fisiológica normal de cada
paciente;
Gestão da associação de sensores a pacientes;
O sistema deve incluir ainda um mecanismo de autenticação dos utilizadores dos
dispositivos portáteis que efetue o controlo do acesso aos registos dos pacientes com
base nas respetivas permissões.
Falhas que surjam nas mais variadas ligações estabelecidas durante todo o
processo, que vai desde a aquisição até à amostragem, devem ser eficientemente
geridas, no sentido de conferir maior robustez ao sistema de monitorização remota.
Este fator permite aumentar a segurança nos acessos ao servidor e a fiabilidade da
comunicação e transmissão de dados, sendo este mais um dos aspetos a ter em conta
na fase de implementação do projeto.
1.3. Organização da Dissertação
Neste primeiro capítulo, é feita a abordagem ao tema central da dissertação
explicando as motivações e fazendo a contextualização do trabalho, bem como
definindo os seus objetivos.
A restante documentação da tese está dividida em cinco capítulos. No CAPÍTULO
2 é feito o estudo de alguns projetos relacionados com o tema, onde são analisadas as
diferentes arquiteturas relativas aos sistemas móveis de monitorização médica.
No CAPÍTULO 3 são descritos pormenorizadamente vários aspetos de trabalhos
prévios do projeto MOHLL, no qual se insere o trabalho apresentado nesta dissertação,
nomeadamente em termos de recolha, gestão e análise de sinais vitais.
No CAPÍTULO 4 é apresentado todo o trabalho de desenvolvimento do sistema
de monitorização móvel desta dissertação, bem como o processo de integração deste
sistema no projeto MOHLL. São ainda apresentados nesse capítulo os conceitos
teóricos e as tecnologias utilizadas durante todo o trabalho.
No CAPÍTULO 5 são apresentados os resultados finais da aplicação desenvolvida,
Capítulo 1 – Introdução
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 7
bem como a avaliação à qual esta foi submetida pelos seus presumíveis utilizadores.
Por último, no CAPÍTULO 6, são tiradas algumas conclusões acerca do trabalho
efetuado, bem como são deixadas algumas sugestões de desenvolvimentos futuros.
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 9
CAPÍTULO 2
Estado da Arte
2.1. Introdução
A implementação de sistemas de monitorização e análise de sinais vitais usando
dispositivos móveis tem sido objeto de bastantes projetos de investigação,
desenvolvidos com o propósito de estudar as diferentes abordagens possíveis do
tema, bem como demonstrar as vantagens da implementação dos referidos sistemas.
Várias são também as empresas que reconheceram que esta área possui um elevado
potencial para exploração comercial, tendo desenvolvido vários produtos nesse
sentido.
O crescente número de soluções apresentadas vem confirmar que o auxílio da
tecnologia nos cuidados de saúde, nomeadamente nos sistemas de monitorização,
será um fator de grande desenvolvimento na área, sendo esta uma solução de grande
potencial e ainda pouco desenvolvida, tendo em conta os meios tecnológicos
existentes e o número de aplicações em que estes podem ser utilizados.
Neste capítulo, são apresentadas diferentes abordagens quanto à estrutura e
tipologia de monitorização já implementada, dentro da área de monitorização remota
de pacientes. Entre os muitos projetos e produtos que poderiam ser reportados, foram
escolhidos alguns dos que apresentam características semelhantes às do projeto
descrito nesta dissertação, pelo menos no que toca à utilização de um tipo de
dispositivo móvel de gestão e/ou visualização de dados. Também o tipo de dados
monitorizados nestes sistemas foi um aspeto a ter em conta na escolha destes, pois a
maioria tem como principal foco de atenção o controlo do estado cardiovascular de
indivíduos, isto é, do seu ECG. Embora muitos tipos de sinais possam ser
monitorizados, o sinal de ECG é o que apresenta uma maior complexidade, quer
quanto à sua correta deteção, transmissão e visualização gráfica, quer quanto aos
recursos utilizados nestas atividades.
Capítulo 2 – Estado da Arte
10 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
2.2. Classificação de Sistemas de Recolha e Transmissão de Sinais Cardíacos via PDA/Smartphones
Dentro da área da monitorização cardiovascular, as primeiras soluções
propostas, como por exemplo os monitores Holter, permitem gravar os sinais de um
paciente durante um determinado período de tempo, sendo depois entregues a um
especialista para este avaliar a condição cardíaca do indivíduo. Este tipo de sistemas
tem, no entanto, a desvantagem de apenas gravar informação, não tendo nenhum
meio de comunicação que possibilite o envio dessa informação ou o acionamento de
algum meio de alerta quando, surgem problemas cardiovasculares urgentes. Várias
soluções foram estudadas no sentido de corrigir este problema, e em [RoGoIl05] foi
feita uma classificação de algumas destas soluções, dividindo-as em dois grupos.
O primeiro grupo recorre ao uso de um equipamento móvel em conjunto com
sensores para detetar e transmitir, através de redes sem fios, os sinais vitais do
paciente para um centro hospitalar onde estes são analisados. Algumas destas
soluções possuem também a possibilidade de gravar e representar os dados no
próprio dispositivo móvel.
Os sistemas que recorrem ao envio contínuo dos sinais adquiridos pelos
sensores, embora permitam sua análise em tempo real, revelam pouca eficiência, isto
porque a constante necessidade de enviar informação, mesmo que esta não tenha
especial importância, desperdiça recursos energéticos para efetuar essas
comunicações e recursos económicos, especialmente se forem usados os serviços das
redes móveis GPRS/GSM/UMTS.
No segundo grupo, são considerados os sistemas em que o próprio dispositivo
móvel utilizado, para além de um meio de captar e transmitir dados, funciona também
como plataforma de processamento de dados, entre os sensores e os centros
hospitalares. O seu objetivo é permitir que se faça uma análise dos dados recolhidos
de modo a que, autonomamente, sejam detetadas anomalias e enviados alertas para o
pessoal médico indicado.
Nas próximas secções, são apresentados exemplos destes dois tipos de
arquitetura, bem como soluções que não se enquadram em nenhuma destes grupos,
mas que recorrem também a dispositivos móveis para criação de um sistema de
Capítulo 2 – Estado da Arte
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 11
monitorização médica.
2.3. Sistemas sem Análise Intermédia de Dados
As soluções apresentadas nesta secção enquadram-se no primeiro dos grupos
descrito anteriormente, em que a análise é efetuada após a transmissão dos dados
recolhidos. Dentro deste grupo, e para além dos projetos expostos a seguir, podem ser
indicadas algumas empresas que apostam neste tipo de soluções, como é o caso da
Alive Technology [Al10], da Vitaphone [Vit10], da ActiveECG [Ac10] ou da Philips com o
seu sistema IntelliVue [Phil10].
2.3.1. Secure Mobile Computing
O projeto Secure Mobile Computing foi desenvolvido, na Universidade da
Virginia, com o objetivo de utilizar o ritmo cardíaco adquirido pelo sistema
implementado tanto para ser monitorizado pelo dispositivo móvel (PDA) [JurWe08]
como para servir de sistema de segurança do mesmo [SecMob09]. Este último aspeto
surgiu como a vertente principal do projeto, e consiste em criar uma ligação entre o
dispositivo móvel e o seu utilizador, através da permanente monitorização do seu
ritmo cardíaco, com o objetivo de acrescentar mais um nível de segurança na
preservação de informações confidenciais contidas em dispositivos móveis sujeitos a
serem perdidos ou roubados. Consoante as escolhas do utilizador, quando o sinal deixa
de ser recebido ou quando são detetadas condições anormais no sinal, o PDA bloqueia
e requer uma nova autenticação ou simplesmente elimina os dados restritos.
Um sistema de monitorização remota de sinais vitais foi desenvolvido como
complemento do projeto Secure Mobile Computing e utiliza as mesmas bases deste. O
utilizador/paciente traz consigo um dispositivo em forma de banda adesiva constituído
por um sensor biométrico, um microcontrolador e um rádio Bluetooth. O sensor foi
desenvolvido para detetar o sinal de ECG e a partir deste extrair a frequência cardíaca.
O sinal de ECG é enviado para o PDA através do protocolo de comunicação sem fios
Bluetooth, e caso assim se pretenda, é representado em tempo real, como é mostrado
na Figura 2.1. Estes dados são depois transmitidos, através dos serviços Web do PDA,
Capítulo 2 – Estado da Arte
12 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
para um servidor onde poderão ser vistos pelos utilizadores autorizados, por exemplo
um médico que, com esta informação, terá assim mais meios para avaliar a condição
do seu paciente.
O sistema operativo do PDA utilizado no projeto é o Windows Mobile, e recorre-
se à programação C# no desenvolvimento da aplicação de monitorização e transmissão
de sinais [Jur09], sendo estas, características idênticas às do projeto desenvolvido e
apresentado nesta dissertação.
Este projeto apresenta, no entanto, alguns problemas em termos de energia e
performance, pois, quando o sistema se encontra em funcionamento, a utilização do
CPU do dispositivo, quer para processamento gráfico quer para comunicação, requer
um elevado consumo de energia, o que limita bastante a utilização do sistema em
modo contínuo.
Figura 2.1 - Representação do sinal de ECG recebido [JurWe08].
2.3.2. Mobile Telemedicine System for Home Care and Patient Monitoring
M. V. M. Figueiredo e J. S. Dias [FigDi04] desenvolveram um sistema de
monitorização idealizado para acompanhamento médico de pacientes, a partir de suas
casas. Este projeto tem como propósito tentar reduzir o número de pacientes e o
Capítulo 2 – Estado da Arte
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 13
tempo de internamento destes em hospitais e centros médicos, assim como tentar
suprimir a necessidade de visitas regulares ao domicílio por parte do pessoal médico
que acompanha pacientes acamados em casa. Assim, é apresentada uma alternativa
no ramo da telemedicina, que usa as várias tecnologias de comunicação associadas aos
telemóveis e PDAs como meio de inovação.
Tal como nos serviços tradicionais de telemedicina, é usada uma arquitetura
cliente servidor, representada na Figura 2.2, em que o paciente é responsável pela
recolha dos dados dos equipamentos e pelo seu posterior envio, via internet. O
servidor, normalmente situado no hospital, recebe os dados e disponibiliza-os ao
pessoal médico responsável pelo paciente, podendo assim avaliar a condição deste.
Figura 2.2 - Estrutura do sistema proposto (adaptada de [FigDi04]).
O monitor que se encontra ligado ao paciente recolhe os seus dados vitais,
nomeadamente o ECG, ritmo cardíaco, pressão do sangue, SPO2 (saturação de
oxigénio no sangue) e temperatura. Posteriormente, estes dados são transferidos para
o telemóvel, que se encarrega de os agrupar em pacotes e os enviar para o servidor do
centro hospitalar, utilizando os protocolos TCP/IP e/ou UDP. No servidor, os dados
recebidos são armazenados numa base de dados, onde podem ser consultados por
médicos e enfermeiros, através de uma aplicação existente no PC servidor.
Dependendo do tipo de monitor utilizado, os drivers desenvolvidos para o
telemóvel diferem, havendo necessidade de desenvolver software específico para cada
tipo de equipamento, o que se pode tornar problemático, atendendo ao número de
equipamentos disponíveis atualmente. Neste projeto, foram implementados drivers
para comunicar com o monitor Agilent A3, através da porta série RS232. A aplicação
desenvolvida para o telemóvel foi feita usando o Java MIDP (Mobile Information
Device Profile). Do lado do servidor também se recorreu à tecnologia java para
Capítulo 2 – Estado da Arte
14 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
implementar o sistema de gestão e visualização de dados, existindo a possibilidade de
estes serem exportados para ficheiros XML ou serem de impressos.
2.3.3. A PDA-based Portable Wireless ECG Monitor for Medical Personal Area Networks
Na Universidade de Málaga foi desenvolvido um outro projeto de monitorização
de sinais de ECG à distância [CaGoAl06]. O PDA é mais uma vez escolhido como
dispositivo de receção, visualização e transmissão de dados, existindo vários cenários
para o enquadramento deste nas estruturas de monitorização apresentadas. A
arquitetura do sistema foi idealizada de modo a permitir que a interação entre os
vários componentes do sistema seja bastante versátil, recorrendo a tecnologias
wireless como Bluetooth, Wi-Fi ou UMTS para transmissão dos sinais vitais de um ou
vários pacientes.
No âmbito deste projeto, todas as aplicações foram desenvolvidas recorrendo
apenas a software open source, evitando assim questões de licenciamento de
software, bem como restrições a hardwares específicos. Neste caso, o sistema
operativo Linux foi o usado quer nos PDAs quer nos computadores servidores ou
visualizadores.
Figura 2.3 - Esquemas de monitorização permitidos pelo sistema [CaGoAl06].
Os vários cenários propostos para monitorização do ECG, apresentados na Figura
2.3, vão desde o esquema mais simples, em que existe um monitor portátil, PDA, que
acompanha o paciente para que este possa visualizar e gravar o seu eletrocardiograma
Capítulo 2 – Estado da Arte
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 15
(A), até à estrutura de monitorização de vários pacientes em simultâneo e a partir de
qualquer localização, com a possibilidade de qualquer computador com ligação à
internet poder aceder aos dados transmitidos para o servidor do sistema (D). Os
cenários intermédios, em termos de complexidade, correspondem: um à ligação de
dois PDAs, através de uma rede de curto alcance, em que um se encarrega de
transmitir os dados recolhidos e outro, ao cargo de um elemento do pessoal médico,
tem a função de receber e apresentar esses mesmos dados (B); o outro cenário (C)
corresponde à monitorização de vários pacientes, a partir de um só computador,
aplicável em sistemas de monitorização remota, centralizada, de vários casos críticos
em simultâneo.
O sistema de recolha de dados consiste em conectar ao PDA uma placa PCMCIA,
com 4 entradas analógicas, o que permite aquisição de sinal de ECG recorrendo ao
esquema de 3 derivações. Posteriormente, estes valores analógicos recolhidos são
processados e tratados pelo PDA, ficando disponíveis para serem representados ou
transmitidos através de uma das tecnologias de comunicação disponíveis. Estão no
entanto a ser estudadas alternativas a este sistema de recolha de dados, como por
exemplo a substituição da placa PCMCIA por um microcontrolador de baixo consumo,
comunicando com o PDA através de uma ligação série ou de um sistema de
transmissão Bluetooth.
2.4. Sistemas com Análise Intermédia de Dados
Vários são os projetos de investigação e produtos de empresas que se
enquadram no segundo grupo descrito na secção 2.2 deste capítulo. Dentro dos
projetos de investigação podem ser referenciados o sistema UbiMon [Ubi10], do
Imperial College of London ou o sistema MOLEC [RoDraGo04], desenvolvido na
Universidade do País Basco. Quanto a soluções comerciais que se enquadram neste
segundo grupo, podem ser destacados alguns equipamentos da empresa Cardio Net
[Car10]. De seguida, são apresentados mais pormenorizadamente alguns exemplos
deste tipo de sistema, que recorre aos dispositivos móveis para criara um processo de
processamento dos dados antes de dar feedback aos prestadores de cuidados de
saúde.
Capítulo 2 – Estado da Arte
16 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
2.4.1. Wearable ECG-recording System for Continuous Arrhythmia Monitoring in a Wireless Tele-Home-Care Situation
R. Fensil et al. [FeGu05] apresentam mais um sistema que permite transmitir
sinais de ECG para uma estação de diagnóstico no hospital, podendo ainda detetar,
autonomamente, a ocorrência de arritmias cardíacas. Este projeto foi idealizado para
permitir que pacientes com um historial ou com tendência a ter problemas
cardiovasculares possam ser monitorizados durante todas as suas atividades diárias.
O sensor utilizado para adquirir o sinal de ECG utiliza apenas 2 elétrodos ligados
ao circuito eletrónico que trata o sinal e o envia, usando um transmissor RF (CC1050 da
Texas Instruments), para um recetor que está interligado com um PDA, criando assim
um Hand Held Device (HHD), como mostra a Figura 2.4. O HDD é usado como unidade
de processamento para análise e gravação temporária do sinal, e utiliza o serviço GPRS
(General Packet Radio Service) para enviar os sinais de alarme e os registos do
eletrocardiograma para o servidor do sistema. Os médicos acedem então a estes
dados, através de um computador com ligação à internet, desde que este possua
também o software de representação de dados desenvolvido.
Figura 2.4 - À esquerda, o sensor e o HDD. À direita, as diferentes partes do HDD [FeGu05].
O sistema de alarme é ativado quando o HDD deteta alguma atividade anormal
no ECG, guardando então o sinal durante um minuto e transmitindo depois essas
informações. Os dados referentes aos cálculos do ritmo cardíaco assim como outros
dados sobre a atividade cardíaca dos pacientes são regularmente enviados para a base
de dados, que pode ser consultada pelos médicos para irem avaliando o estado dos
seus pacientes.
O PDA tem como sistema operativo o Microsoft Windows Mobile, sendo o C# a
linguagem usada para desenvolver os programas de análise, representação e
Capítulo 2 – Estado da Arte
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 17
transmissão de dados via internet.
O HHD criado tem a vantagem de o sistema de comunicação com o sensor ser
alimentado externamente, permitindo assim uma monitorização contínua por vários
dias. Devido ao tamanho do PDA, recetor RF e respetiva alimentação, a dimensão total
do sistema móvel pode tornar-se um inconveniente, visto este equipamento ter de
estar sempre próximo do paciente.
2.4.2. EPI- MEDICS
O projeto europeu EPI-MEDICS (Enhanced Personal, Intelligent and Mobile
system for Early Detection & Interpretation of Cardiological Syndromes) [RuFaNo05]
[GoSiFa02] surgiu com o propósito de criar um sistema de monitorização inteligente
para deteção de problemas cardiovasculares. A solução apresentada permite recolher,
gravar e analisar o sinal de ECG, sendo capaz de detetar situações anómalas e
consequentemente enviar diferentes tipos de alerta para os profissionais de saúde
indicados.
A base principal do projeto desenvolvido é um monitor pessoal de ECG (PEM –
Personal ECG Monitor), que permite avaliar localmente, e o mais depressa possível, a
condição cardíaca de pacientes, nomeadamente detetando arritmias ou isquemias. A
deteção do sinal de ECG é feita recorrendo apenas a 3 derivações de referência, um
subsistema do tradicional meio que recorre 12 derivações. Após a recolha do sinal,
este é associado ao EHR (Electronic Health Record), que se encontra num cartão de
memória inserido no dispositivo PEM. Através de uma rede neuronal artificial que
processa o sinal adquirido, são usadas técnicas de tomada de decisões para gerar
diferentes tipos de alarme, tendo em conta o sinal e o historial cardíaco do paciente
gravado no EHR. As mensagens de alerta contendo os sinais gravados são enviadas,
tendo em conta a análise feita na etapa anterior, para o sistema de saúde mais
apropriado (ex: urgências hospitalares; médicos especialistas).
Os protocolos de comunicação usados no envio de dados entre os vários
elementos do sistema são: o protocolo Bluetooth, para comunicação entre o PEM e
um telemóvel ou PDA; o GSM/GPRS, para o envio dos sinais para a base de dados do
servidor do serviço PEM ou para outros dispositivos móveis; e a internet, para permitir
Capítulo 2 – Estado da Arte
18 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
o acesso aos dados contidos no servidor, por parte de outros computadores, através
do site criado em HTML. A Figura 2.5 pretende esquematizar os conceitos básicos do
projeto EPI-MEDICS, as situações onde pode ser utilizado e os diferentes recetores de
alarmes consoante a gravidade destes.
Em situações de pouca urgência, o alarme é apenas destinado ao próprio
paciente, sendo mostrada uma mensagem no dispositivo PEM; num cenário de
gravidade intermédia, os dados de ECG são enviados para o servidor do sistema, e
este, para além de enviar uma mensagem a um médico cardiologista, também
disponibiliza esses dados na internet para que estes possam ser consultados; em
situações de elevada urgência, o sistema alerta um centro de urgências hospitalar para
que envie uma ambulância em socorro desse paciente.
Figura 2.5 - Arquitetura simplificada do sistema EPI-MEDICS [RuFaNo05].
Este sistema permite um acompanhamento personalizado, remoto e em tempo
real de pacientes, só envolvendo pessoal médico caso seja necessário, permitindo
assim uma redução de custos em relação a outros sistemas. O projeto prevê, no
entanto, que o PEM apenas seja utilizado em determinados períodos de tempo:
periodicamente, em função das instruções de um cardiologista, ou sempre que o
paciente se sentir mal. Esta opção tem como objetivo conseguir gerir o consumo
energético dos dispositivos móveis utilizados. Devido a este tipo de monitorização não
contínua, esta solução perde alguma eficácia em relação aos sistemas de
acompanhamento continuado.
Capítulo 2 – Estado da Arte
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 19
2.5. Outros Sistemas
2.5.1. A Web Base System for ECG Data Transferred using ZigBee/IEEE Technology
O sistema de monitorização remota implementado por [KhWaNa08] tem como
objetivo permitir o acompanhamento de pacientes que se encontram internados nas
mais diversas plataformas hospitalares. Pode funcionar como complemento aos
tradicionais meios de visualização de sinais vitais, permitindo que estes sejam também
avaliados remotamente, dentro ou fora do hospital. A arquitetura do sistema é
apresentada na Figura 2.6.
A base de funcionamento do projeto consiste em atribuir a cada paciente um
dispositivo transmissor de sinais de ECG, constituído por um sensor e um módulo
ZigBee, que permite criar uma rede wireless para envio dos dados recolhidos. O
processo de receção de sinais é feito através de uma rede de equipamentos,
distribuídos pelo hospital, que fazem a deteção dos dispositivos transmissores
pessoais, onde os dados são tratados e posteriormente enviados para a rede
responsável por os encaminhar até ao servidor Web do hospital. Este servidor é o
responsável por: receber e armazenar os dados de cada paciente na base de dados do
sistema; analisar os sinais de ECG recolhidos; enviar mensagens de alerta sempre que
forem detetadas anomalias cardíacas em algum paciente; disponibilizar a informação
sobre o estado dos pacientes na internet.
Figura 2.6 - Estrutura do sistema criado [KhWaNa08].
O subsistema de análise e notificação permite detetar irregularidades quer no
Capítulo 2 – Estado da Arte
20 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
ritmo cardíaco quer nas ondas e intervalos do sinal de ECG captado. Caso surja alguma
situação que necessite da atenção médica, é enviada uma mensagem SMS através de
um telemóvel ligado ao servidor, recorrendo ao sistema GSM.
As páginas Web criadas, em PHP, para monitorização de dados e gestão do
sistema, foram alocadas no computador servidor recorrendo ao software Apache. Os
médicos podem então visualizar os dados de ECG recolhidos, a partir de um browser
de um qualquer PC. Através de um PDA, com o software desenvolvido para a
plataforma Windows Mobile 5.0 em C#, os médicos podem também ter acesso aos
dados dos pacientes, desde que o mesmo esteja ligado à internet. A comunicação
entre os PDAs e o servidor é feita através de sockets TCP/IP. A representação dos
dados e do ambiente do software criado para o PDA podem ser vistos na Figura 2.7.
Figura 2.7 - Software desenvolvido para o PDA [KhWaNa08].
Este projeto apresenta uma estrutura bastante semelhante ao projeto de
investigação onde se insere o trabalho desenvolvido e apresentado nesta dissertação.
A comunicação ZigBee entre os sensores e a rede recetora de dados; a posterior
comunicação com um servidor; gestão de dados gravados numa base de dados
implementada através do software MySQL; as páginas de Web que podem ser
acedidas através de qualquer computador com ligação à internet; e a visualização e
gestão de dados através de um software desenvolvido para a plataforma Windows
Mobile, são características partilhadas pelos dois projetos mencionados.
Capítulo 2 – Estado da Arte
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 21
2.5.2. Code Blue
O projeto Code Blue: A Wireless Sensor Network for Medical Care and Disaster
Response [MaFuWe04] [We05], desenvolvido na Universidade de Harvard, apresenta
uma estrutura de funcionamento destinada a situações de emergência médica em
resposta a desastres e acidentes com elevado número de feridos, servindo-se da
integração de uma rede de sensores de sinais vitais, sem fios e de baixo consumo, com
PDAs e outros sistemas computacionais. O sistema pretende ajudar as equipas de
emergência no local a avaliar pacientes, distribuir informação em tempo real pelo
pessoal apropriado e permitir uma gestão eficiente dos recursos hospitalares quanto à
orientação de pacientes.
Os vários sensores criados para implementação neste projeto destinam-se a
recolher informação dos sinais de ECG, pressão arterial, ritmo cardíaco, nível de
oxigénio no sangue, EMG, posição e movimento dos indivíduos monitorizados. Estes
sensores funcionam também como nós de uma rede wireless ad hoc, que permite a
localização, endereçamento, autenticação, segurança, assim como tratamento e
distribuição dos sinais vitais, de uma forma descentralizada, por todos os elementos
dessa rede, como podemos ver na Figura 2.8.
Figura 2.8 - Rede wireless criada por sensores e dispositivos móveis [We05].
O projeto Code Blue prevê a ligação dos mais variados sistemas computacionais,
Capítulo 2 – Estado da Arte
22 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
móveis e fixos, no esquema de encaminhamento de informação, requerendo no
entanto que estes possuam um sistema de comunicação wireless baseado no
protocolo 802.11. Na fase de implementação do projeto, recorreu-se no entanto ao
.Net Compact Framework, a correr num PDA iPAQ, com sistema operativo Windows
CE, para desenvolvimento da aplicação de triagem de pacientes.
A estrutura deste sistema pode no entanto sofrer alterações, de modo a permitir
a aplicação deste noutro tipo de aplicações médicas, como na monitorização contínua
de pacientes em ambulatório ou em situações de acompanhamento remoto de
pacientes com doenças crónicos ou idosos acamados em casa.
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 23
CAPÍTULO 3
Projeto MOHLL
3.1. Introdução
A presente dissertação, sobre a monitorização de sinais vitais com recurso a
dispositivos móveis, foi desenvolvida como parte de um projeto em que se pretende
criar um sistema de acompanhamento eletrónico permanente de pacientes a partir de
diferentes locais. Este sistema de monitorização está inserido num programa que
prevê a sua utilização no piso de internamentos do Hospital Privado de Guimarães,
permitindo ao pessoal médico seguir o estado clínico dos pacientes através de um
computador ou PDA. Neste capítulo, é apresentado o trabalho do grupo de
investigadores que desenvolveram ou estão a desenvolver os equipamentos ou
estruturas, hardware e software, inerentes à implementação do projeto.
Mais especificamente, o sistema pretende utilizar vários sensores independentes
para adquirir os sinais de temperatura corporal, oximetria, eletrocardiograma e ritmo
cardíaco, estes dois últimos utilizando um só sensor. A capacidade dos elementos
sensores se auto-organizarem em rede é utilizada para transmitir todos os dados para
um coordenador central, sendo essa rede implementada a partir dos protocolos
ZigBee/IEEE 802.15.4. Do coordenador de rede, os dados são depois encaminhados,
através de um gateway ZigBee – Wi-Fi, para um servidor central onde são
armazenados por longos períodos de tempo. A arquitetura do sistema pode ser vista
na Figura 3.1. A partir do computador central, os dados são disponibilizados para
visualização em tempo real via Internet, ou através da rede Wi-Fi ou Ethernet, quando
dentro do hospital. A possibilidade de se poderem monitorizar vários pacientes em
simultâneo permite que no hospital possa haver uma estação de monitorização geral.
A capacidade de consultar o histórico clínico de pacientes ou a ativação de alarmes,
sempre que os sinais vitais saem fora dos limites estabelecidos, são outras das
características do sistema.
Devido à utilização de ligações sem fios entre equipamentos, esta abordagem
permite que qualquer cama do hospital se torne adequada para o cuidado intensivo de
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
24 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
pacientes não críticos que necessitem de ter os seus sinais vitais constantemente
supervisionados, possibilitando ainda que estes se possam movimentar livremente,
desde que existam dispositivos de receção de dados, routers ou coordenadores ZigBee,
distribuídos pelas várias zonas destinadas aos pacientes.
Figura 3.1 - Arquitetura geral do sistema [FeAfCoSi10].
Elementos como sensores, equipamentos de transmissão de dados e aplicações
de armazenamento e visualização, foram desenvolvidos especificamente para este
projeto, com o intuito de facilitar a respetiva interligação, o que acaba por se traduzir
numa otimização do comportamento global do sistema.
Nas próximas secções, são descritos cada um desses elementos, bem como o
modo como se integram no projeto.
3.2. Sensores
Na fase de planeamento do projeto, definiu-se que os dispositivos para aquisição
de sinais vitais a desenvolver seriam os sensores de ritmo cardíaco, oximetria,
temperatura corporal e eletrocardiograma. Neste momento, já existem protótipos
para adquirir os valores de ECG, ritmo cardíaco e temperatura, enquanto o sensor de
oximetria se encontra em desenvolvimento.
Proporcionar maior liberdade e mobilidade aos pacientes que utilizam os
sensores foi uma das preocupações, durante a fase de idealização do projeto,
pretendendo-se, por isso, construir equipamentos portáteis de pequenas dimensões,
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 25
discretos e confortáveis, ou seja, o menos invasivos possível e sem quaisquer ligações
por fios com outros equipamentos.
Todos os sensores foram projetados para serem equipamentos energeticamente
eficientes, construídos de forma ergonómica de modo a reduzir os custos dos
internamentos. Devem, simultaneamente, poder ser adaptados a diversos cenários
para além da utilização em plataformas hospitalares, tais como nas casas dos pacientes
ou até nas ruas e em movimento permanente. A facilidade de manuseamento dos
equipamentos foi, por isso, uma das características a ter em conta, visto o variado tipo
de pessoas que os poderiam operar.
Cada um dos dispositivos sensoriais é constituído por vários módulos interligados
entre si:
Módulo de aquisição de sinal. Um transdutor que converte um estímulo
físico num sinal elétrico.
Módulo de acondicionamento do sinal. Circuitos de amplificação e
filtragem do sinal elétrico proveniente do módulo anterior.
Módulo de comunicação wireless. Responsável pela conversão analógico-
digital e pelo envio dos dados. Todos os dispositivos recorrem ao módulo
de comunicação ZigBee JN5139-M00 da Jennic para a transmissão de
dados [FeAfCoSi10].
Módulo de alimentação. Integra uma bateria destinada a fornecer
energia a todos os outros módulos. As baterias usadas são escolhidas de
acordo com vários fatores, o que leva a que estas possam ser diferentes
consoante as características dos sensores onde são utilizadas.
A título de exemplo desta organização, é apresentado, na Figura 3.2, o esquema
de hardware desenvolvido para o sensor de ECG, onde se discriminam os quatro
módulos supracitados.
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
26 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
Figura 3.2 - Esquemático do sensor de ECG: (a) módulo de aquisição, (b) módulo de acondicionamento, (c) módulo de alimentação e (d) módulo de comunicação [Ma09].
Esta arquitetura permite atribuir ao sistema de sensores uma elevada
independência relativamente a outros equipamentos.
De seguida são apresentadas características mais específicas dos sensores que se
encontram já desenvolvidos e têm um protótipo final implementado (ECG/ritmo
cardíaco e temperatura corporal).
3.2.1. Eletrocardiograma
O princípio de funcionamento deste sensor consiste em captar e amplificar as
variações de potencial elétrico geradas pela atividade do músculo cardíaco.
Foram testadas várias configurações para este sensor, antes de se chegar à
versão final. Existiram evoluções nos sistemas de amplificação e filtragem usados, nas
baterias escolhidas, de modo a otimizar a relação autonomia tamanho, e no sistema de
aquisição de dados, onde houve uma eliminação dos cabos de ligação aos elétrodos.
Os três elétrodos são inseridos na própria estrutura do sensor e ligados diretamente à
placa de circuito impresso, tal como o sistema de alimentação. Dos elétrodos, dois são
usados como pontos de aquisição do potencial elétrico do coração, enquanto um
terceiro serve como referência para o cálculo da diferença entre eles. No entanto, os
elétrodos têm de estar corretamente distribuídos e orientados no peito do paciente de
modo a atingir-se o funcionamento pretendido. A resposta a esta especificidade foi
dada através de uma indicação na estrutura de encapsulamento do sensor, que
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 27
consistiu em desenhar na caixa a forma de um coração, com o objetivo de indicar a
orientação correta para colocação do dispositivo no peito dos pacientes. O sensor e a
caixa envolvente são apresentados na Figura 3.3.
Para tratamento do sinal (diferença de potencial medida) são executadas várias
fases de amplificação e filtragem. O amplificador de instrumentação da Texas
Instruments (INA118) foi usado como amplificador inicial e redutor de ruído do sinal,
seguindo-se depois os filtros analógicos responsáveis pela eliminação das frequências
fora da gama 0.5 Hz – 40 Hz. Foi usado também um filtro notch para reduzir o ruído da
rede elétrica (50 Hz), assim como um amplificador não-inversor, responsável por
ajustar o ganho final do circuito. O circuito de acondicionamento desenvolvido pode
ser observado na Figura 3.2, bloco (b).
Figura 3.3 - Sensor de ECG e encapsulamento. (1) led indicador de atividade; (2) pilha; (3) interrutor ON/OFF; (4) módulo ZigBee; (5) representação de forma como orientação.
O sinal pós-tratamento entra no módulo de comunicação que, através do seu
ADC interno de 12 bits, converte e posteriormente envia o sinal digital a uma
frequência de 200 Hz. A cada dez minutos é também enviado o nível da bateria do
sensor, para que, durante a monitorização do paciente ao qual este se encontra
associado, se possa avaliar também o estado da bateria e impedir que esta
descarregue totalmente antes de ser substituída, prevenindo assim falhas na
monitorização.
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
28 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
3.2.2. Ritmo Cardíaco
O ritmo cardíaco é calculado através da forma de onda do eletrocardiograma
adquirido, tendo sido por isso dispensável o desenvolvimento de um outro sensor
apenas com este objetivo.
A medição do ritmo cardíaco foi baseada na implementação de um processo de
deteção dos picos R dos complexos QRS, a partir dos quais é possível calcular o
intervalo de tempo do ciclo cardíaco, conforme exemplificado na Figura 3.4.
No sistema de aquisição de ritmo cardíaco implementado, é enviado, a cada 10
segundos, o valor do número de batimentos cardíacos por minuto (bpm) estimado a
partir da média dos intervalos RR registados nesse intervalo de tempo.
Figura 3.4 - Representação gráfica do ciclo cardíaco com a indicação de cada uma das ondas do ECG e do intervalo entre as ondas R [TeBu10].
3.2.3. Temperatura Corporal
Um protótipo para um sensor de temperatura foi também desenvolvido de base
para o projeto de monitorização de sinais vitais MOHLL. As características estruturais
são semelhantes ao sensor de ECG/ritmo cardíaco apresentado anteriormente,
partilhando, para além disso, o mesmo tipo de módulo de comunicação. Diferem, no
entanto, quanto ao tipo de bateria usada, muito devido às diferentes exigências nas
comunicações efetuadas por cada um, visto o sensor de temperatura apenas enviar
novas medições a cada 3 minutos. Este valor pode no entanto ser alterado via
software.
A precisão do sensor varia bastante consoante a sonda (probe) utilizada na
aquisição da temperatura. A sonda usada no módulo de aquisição do sensor
desenvolvido foi escolhida por ser já empregue noutros aparelhos médicos presentes
no hospital onde está a ser implementado o projeto-piloto, sendo por isso já
conhecida do pessoal médico responsável por operar os dispositivos. Esta sonda
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 29
médica tem uma precisão de ±0.1 °C na gama de temperaturas de 34 °C a 43 °C, sendo
um valor aceitável para este tipo de aplicação.
A colocação do sensor no corpo do paciente é feita através de uma fita têxtil
colocada no seu braço, perto da axila, onde deve estar posicionada a sonda.
3.3. Rede ZigBee
O tipo rede de comunicação de dados utilizada é uma das escolhas com maior
influência no desempenho final do sistema, devendo ser tomada em função das
características pretendidas. Fatores relacionados com o consumo de energia, alcance
do sinal, largura de banda, latência de transmissão, escalabilidade, custo, fiabilidade
ou segurança, são alguns dos aspetos a considerar durante a fase de idealização do
processo de comunicação.
As necessidades do sistema impunham a construção de uma rede pessoal sem
fios de curto alcance (de 10 a 100 m), usualmente denominada por WPAN (wireless
personal area network), na qual poderiam coexistir vários tipos de equipamentos (nós
da rede). No caso específico, seriam sensores (end devices), routers ou coordenadores
de rede. Para a correta integração do sistema no ambiente hospitalar, os dispositivos
criados deveriam cumprir alguns requisitos relacionados com o tamanho, custo e
eficiência energética. Quanto à integração na rede, estes deveriam ser capazes de se
associarem e desassociarem facilmente sem interferir no funcionamento da mesma.
A partir destes pressupostos, o standard de comunicação sem fios ZigBee foi a
tecnologia escolhida para implementação da rede responsável para encaminhar os
dados sensoriais adquiridos até ao servidor do sistema, pois apresenta vantagens que
permitem preencher os vários requisitos do sistema.
Devido à variedade de topologias de rede aceites, ao grande número de nós
suportados por rede (até 65536) e ao reduzido consumo de energia, as redes ZigBee
são especialmente atrativas para dispositivos remotos alimentados por baterias, como
é o caso dos sensores de sinais vitais desenvolvidos. A estes fatores, há ainda que
acrescentar que a simples estruturação da pilha protocolar leva a uma redução do
custo final dos equipamentos [Ma09].
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
30 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
3.3.1. Pilha protocolar ZigBee/IEEE 802.15.4
A arquitetura da tecnologia de comunicação ZigBee encontra-se dividida por
camadas protocolares, como se pode observar na Figura 3.5, em que cada uma delas
fornece um conjunto de serviços específicos à camada superior.
O standard IEEE 802.15.4 [IE06] define a camada física (PHY) e a camada de
controlo de acesso ao meio (Media Access Control, MAC), responsáveis pelas
operações de baixo-nível, tais como receção e transmissão de dados, ativação e
desativação do transceiver, gestão de ligação aos outros dispositivos de rede, acesso
aos canais RF ou validação de tramas. Estas camadas foram criadas pelo grupo de
trabalho 802.15 do IEEE, que tem como orientação específica as comunicações em
WPANs (Wireless Personal Area Network). As normas desenvolvidas pelo standard
802.15.4 destinam-se a redes que possam necessitar de baixas taxas de transmissão de
dados (20 – 250Kb/s), mas que requeiram também um baixo custo, reduzida
complexidade e alta eficiência energética. Estas características tornam a utilização
deste protocolo especialmente indicada em sistemas de médio alcance (até 100 m),
em que a autonomia dos equipamentos seja um dos principais requisitos, como é o
caso dos sensores alimentados por baterias desenvolvidos no âmbito do projeto
MOHLL.
O protocolo ZigBee, desenvolvido pela ZigBee Alliance [Zi08], assenta sobre as
camadas especificadas pelo padrão IEEE 802.15.4, sendo aqui definidas as camadas de
rede (NWK) e de suporte à aplicação (APS – Application Support Sub-Layer). A primeira
tem como função gerir as questões relacionadas com a deteção de equipamentos de
rede, descoberta de rotas (route discovery) ou encaminhamento de mensagens,
enquanto a segunda serve como interface entre a camada de rede e a camada de
aplicação.
Por fim, na camada superior, são definidas, pelo utilizador final ou pelo produtor
do equipamento (OEM – original equipment manufacturer), as funcionalidades
pretendidas para o dispositivo, ou seja, a sua aplicação. No caso dos nós sensores
utilizados no projeto, é nesta camada que, por exemplo, se calcula o ritmo cardíaco do
paciente a partir de uma sequência de amostras de sinal de eletrocardiograma.
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 31
Figura 3.5 - Arquitetura alto-nível da comunicação baseada em sistemas ZigBee.
3.3.2. Arquitetura da Rede
Os dispositivos que constituem uma rede ZigBee podem agrupar-se de diferentes
formas (topologias). As topologias de configuração de uma rede ZigBee, Figura 3.6,
podem ser: estrela (star), árvore (tree) ou malha (mesh).
Figura 3.6 - Topologias de rede ZigBee (adaptado de [NaIn10]).
Na configuração de rede em estrela, o coordenador é o responsável por
estabelecer contacto direto com todos os outros dispositivos de rede. Isto leva a que
os end devices (sensores) tenham de estar próximos do elemento coordenador, o que
restringe a utilização deste esquema de rede a áreas reduzidas.
Seguindo uma estrutura hierarquizada, a topologia de árvore permite aumentar
a distância de funcionamento da rede. Contrariamente ao que acontecia na estrutura
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
32 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
de rede anterior, os dados podem ser encaminhados através de vários nós da rede, no
seu caminho entre os sensores e o coordenador. Esta configuração apresenta, no
entanto, a desvantagem de, no caso de um dos routers perder a sua ligação à rede,
todos os seus nós dependentes perderem também a sua via de comunicação com o
coordenador, ficando assim fora da rede, no caso de não existirem outros routers ao
seu alcance.
As características inerentes ao tipo de rede que o projeto MOHLL impõe levou a
que a topologia de malha (mesh) fosse a escolhida para organizar e gerir os
dispositivos do sistema. Isto porque as características desta permitem distribuir os
dispositivos por uma vasta área, como é a de um piso hospitalar, e ao mesmo tempo
ajustar automaticamente a sua organização sempre que deixe de ser detetado algum
elemento ou caso surja um novo equipamento na rede. Quando isso acontece são
criados caminhos novos para a transmissão de dados entre os end devices e o
coordenador da rede, conferindo assim alguma independência às ligações entre
dispositivos.
A arquitetura ZigBee disponibiliza até 16 canais de comunicação diferentes, o
que permite assegurar a fiabilidade do serviço de transferência de dados, através da
escolha de um canal não suscetível a interferências de outras redes sem fios. No
esquema apresentado na Figura 3.7 são estruturadas duas redes ZigBee (dois
coordenadores), configuradas através da topologia de malha, a operar em canais
diferentes. Os sensores dos pacientes monitorizados têm a possibilidade de se
associarem tanto a um dos coordenadores como a um dos routers, consoante a
qualidade da comunicação oferecida por cada um.
Figura 3.7 - Protótipos de redes ZigBee aplicadas ao projeto MOHLL, implantadas através da topologia em malha (adaptado de [FeAfCoSi10]).
Os coordenadores por sua vez estão conectados a um gateways ZigBee – Wi-Fi,
responsáveis por encaminhar os dados até ao servidor do sistema, que, na Figura 3.7,
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 33
surge representado também como a estação de monitorização.
3.3.3. Routers e Coordenadores de Rede
Para além dos elementos sensoriais apresentados na secção 3.2, também foram
desenvolvidos os equipamentos de encaminhamento (routers) e gestão de rede
(coordenador), apresentados na Figura 3.8.
Está definido pelo protocolo ZigBee que estes equipamentos devem ter os seus
módulos de comunicação sempre disponíveis para receber e enviar dados de e para os
restantes elementos da rede, o que se traduz num consumo energético dificilmente
suportável por baterias, recorrendo-se por isso a um determinado tipo de alimentação
externa. A possibilidade de os end devices terem um tipo de alimentação embutida
prende-se com o facto de os seus módulos transceptores (receção/ transmissão)
apenas serem ligados quando surge necessidade de enviar ou receber mensagens, o
que permite então optar por soluções mais práticas (baterias), sem que a autonomia
desses equipamentos seja significativamente prejudicada.
Figura 3.8 – Encapsulamento; Router/Coordenar de rede; antena.
Atendendo ao facto de estes serem os elementos fixos da rede, a sua colocação
teria de ser estudada de modo a que pudessem ser instalados convenientemente sem
que, no entanto, se destacassem dentro do ambiente onde seriam inseridos. A opção
tomada passou por embutir os routers nos “candeeiros” das luzes de emergência, que,
aliado ao facto de nessa posição haver uma fonte de alimentação permanente, os
torna também impercetíveis. A maior potência disponibilizada por uma alimentação
externa permite, desde logo, utilizar um módulo ZigBee também ele mais potente, o
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
34 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
que acaba por se traduzir num maior alcance. O módulo ZigBee escolhido (Jennic
JN5139-M02) tem a particularidade de utilizar uma antena externa, contrariamente
aos módulos dos sensores.
Toda a estrutura física dos routers e dos coordenadores é partilhada entre si,
sendo o seu comportamento distinguido através da aplicação instalada no
microprocessador dos equipamentos. Outra diferença surge no tipo de alimentação
externa utilizada, pois os routers são alimentados por transformadores ligados à rede
elétrica, enquanto os coordenadores de rede, visto estarem ligados ao computador
que funciona como gateway ZigBee – WiFi, são alimentados via um cabo série – USB,
por onde são também transferidos os dados relativos à comunicação entre os dois
dispositivos.
3.4. Sistema de Gestão e Visualização de Dados
O subsistema de gestão de dados do projeto foi desenvolvido com o intuito de
coordenar as atividades de recolha das informações sensoriais adquiridas pelos
sensores, armazenamento das mesmas e disponibilização para visualização de todos os
dados do sistema. Na Figura 3.9 é apresentado um esquema das ligações estabelecidas
entre as diversas aplicações responsáveis por cada uma das fases do processo de
gestão.
Aplicação de recolha de dados (ARD), para receção e encaminhamento de
dados provenientes da rede de sensores.
Aplicação de Acesso aos Dados (AAD), suporte às aplicações Web que
servem de interface com os utilizadores do sistema. Responde a todos os
pedidos feitos pelas aplicações Web através das quais os utilizadores,
recorrendo a um browser de Internet, podem gerir as informações
relacionadas com os pacientes, utilizadores, sensores e alertas, bem
como visualizar todos os sinais sensoriais.
Base de Dados, para armazenar todos os dados relevantes do sistema.
Esta estabelece uma relação direta com os outros dois serviços do
sistema e constitui o único elemento de ligação, indireta, entre eles.
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 35
Figura 3.9 - Serviços do sistema de gestão de dados e respetivas ligações.
Todas as ligações estabelecidas entre o subsistema de gestão e os outros
elementos do projeto, nomeadamente a rede de sensores e as aplicações Web de
monitorização (Java applet), são feitas através do protocolo HTTP [Pe09]. De referir
ainda que a comunicação com a rede de sensores é feita, indiretamente, através dos
gateways ligados aos coordenadores de rede. Estes foram implementados, através de
aplicações desenvolvidas em linguagem C#, para receber os pacotes de dados
provenientes da rede ZigBee e reorganizar a informação para enviar para a ARD
(Aplicação de Recolha de Dados) do servidor, via HTTP.
Para implementação dos serviços de gestão no servidor do sistema, foram
utilizadas as seguintes linguagens de programação: Java, para o desenvolvimento da
ARD e da AAD (Java servlets); HTML e JSP (Java Server Pages) para desenvolvimento
das páginas Web, sendo o JSP usado para interagir com a BD.
A configuração do computador como servidor Web foi feita recorrendo ao
software Apache Tomcat, por este ser de utilização livre e conseguir atingir bons
desempenhos ao nível da velocidade e estabilidade. Quanto ao Sistema Gestor de Base
de Dados (SGBD) foi utilizado o MySQL, que se caracteriza por ser rápido, robusto e
flexível quando existe necessidade armazenamento de grandes quantidades de dados
[Pe09].
3.4.1. Aplicação de Recolha de Dados
A constante disponibilidade que a ARD deve demonstrar para receber os dados
provenientes da rede de sensores surge com o principal requisito deste serviço, visto
ser fundamental que todos os sinais recolhidos possam ser rapidamente
encaminhados e armazenados na base de dados.
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
36 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
A ARD é dividida em camadas com responsabilidades diferentes, como: receber
os dados da rede de sensores (camada de apresentação); estabelecer a comunicação
com a base de dados (camada de dados); agregar os dados recebidos e estabelecer
ligação entre as duas camadas anteriores (camada de negócio). Através desta
estruturação em camadas, é possível gerir a ARD de modo a que apenas exista uma
camada responsável pela comunicação com a rede de sensores (gateway) e outra com
a base de dados, o que permite abstrair as restantes camadas dessas ligações externas.
De modo a que o elemento da rede de sensores responsável pela comunicação
com a ARD, gateway ZigBee – WiFi, possa encaminhar corretamente os dados
sensoriais recolhidos, é lhe fornecido o endereço IP da máquina onde a aplicação se
encontra instalada, permitindo assim criar uma ligação através do protocolo HTTP. As
transmissões de dados, entre o sistema de sensores e a aplicação de recolha de dados,
exigem, no entanto, uma coordenação quanto ao formato das mensagens trocadas,
tendo sido por isso desenvolvido o protocolo aplicacional que se encontra detalhado
na Tabela I. As mensagens são constituídas por quatro campos, com informações
específicas da medição a ser transmitida. Nestes, indica-se: o tipo de informação
enviada (sensorType); a referência do sensor (sensorID); a data da medição
(timestamp), em milissegundos (a contar desde 1 de Janeiro de 1970, às 01:00:00
GMT); e os dados referentes à medição efetuada (data), podendo estes variar
consoante o tipo de sensor a que se referem.
Tabela I - Especificações protocolares das medições enviadas para a ARD
Variáveis Descrição
sensorType
01 – Update Bateria 02 – ECG
03 – Oximetria 04 – Ritmo Cardíaco 05 – Temperatura
sensorID Número de identificação do sensor
timestamp Identificação temporal da medição
data
ECG – 50 amostras recolhidas durante 250 ms Oximetria – Medida em percentagem
Ritmo Cardíaco – Número de batimentos cardíacos por minuto Temperatura – Temperatura em graus Celsius
Bateria – Nível de bateria do sensor, existindo 4 níveis possíveis
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 37
3.4.2. Base de Dados
A principal exigência ao serviço de Base de Dados do sistema está relacionada
com cadência de armazenamento, sendo necessário que seja possível armazenar, no
menor espaço de tempo possível, um elevado número de dados referentes às várias
medições efetuadas. Sendo o sensor de ECG o que maior número de medições envia
por unidade de tempo (quatro envios, de 50 amostras, por segundo), pode-se verificar
que, se, por exemplo, estiverem a ser monitorizados dez pacientes, é necessário que a
BD consiga gerir 40 inserções por segundo, só para este tipo de sensores. Após a
otimização do processo de armazenamento, foi possível aferir que o número de
inserções poderia ir até cerca das quatro mil por minuto (≈67 por segundo), levando a
que o requisito imposto quanto à velocidade de inserção de dados na BD fosse
cumprido.
A organização estrutural dos dados, pode ser observada no modelo Entidade –
Relação apresentado na Figura 3.10 . As entidades definidas foram:
Pacientes. Contém informações sobre os pacientes como nome, data de
nascimento ou diagnóstico.
Alertas. Para cada paciente, são definidos os intervalos entre os quais o
sinal medido é considerado estável, para cada um dos tipos de sensores
passíveis de lhe serem associados.
PacienteSensor. São indicadas as características das associações
efetuadas entre sensores e pacientes.
Sensores. São agregadas informações como número de série ou tipo de
sensor.
Medições. Para cada uma, são identificados os números de série, o sensor
à qual está associado, a data e o valor da medição.
Utilizadores. Identificação do login e do tipo de privilégio das pessoas
com acesso ao sistema.
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
38 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
Figura 3.10 - Modelo Entidade - Relação da Base de Dados [Pe09].
3.4.3. Interface da Aplicação Web
Com o intuito de permitir aos utilizadores interagirem com o sistema de
monitorização, foi desenvolvida uma aplicação Web para gestão de informações e
visualização de sinais vitais de pacientes. A aplicação consiste num site de Internet que
pode ser acedido, a partir de qualquer Web browser.
As operações disponíveis no site são:
Monitorizar sinais vitais de pacientes;
Visualizar a evolução temporal de alguns desses sinais (históricos);
Listar, adicionar e eliminar sensores;
Listar, adicionar, editar e remover pacientes;
Listar, adicionar, editar e remover utilizadores;
Associar/desassociar sensores a pacientes;
Determinar os valores dos alertas para cada paciente.
Na Figura 3.11 é apresentada a estrutura do site e as atividades permitidas a
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 39
cada um dos tipos de utilizador.
Figura 3.11 - Estrutura do Website para interação com os utilizadores [Pe09].
Apenas os utilizadores registados podem aceder ao sistema, tendo sido para isso
implementado um método de autenticação, que serve também para distinguir as
classes de utilizadores, bem como os privilégios que lhes são atribuídos. Os três tipos
de utilizadores com acesso ao site são:
Visualizador, com permissão para monitorizar sinais e visualizar
históricos. Os pacientes podem ser inseridos nesta classe, para terem
acesso aos seus dados;
Gestor, com as mesmas permissões do Visualizador, mais as opções de
gestão relacionadas com os sensores, pacientes e as suas associações,
bem como com a definição de alertas;
Administrador, em tudo semelhante ao utilizador Gestor, mas ainda com
permissão para efetuar a gestão na área das autorizações de pessoal
(listar, adicionar, editar e remover utilizadores).
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
40 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
3.4.4. Monitorização
O processo de apresentação e representação gráfica de sinais vitais é uma das
principais vantagens do projeto de monitorização de pacientes, descrito neste
capítulo. Simultaneamente, é também a operação mais complexa disponibilizada pelo
site. A secção de monitorização do sistema permite visualizar o estado de, no máximo,
seis pacientes em simultâneo. Para cada um destes, é criado um aplicativo (java
applet) onde podem ser visualizados todos os sinais fisiológicos, adquiridos pelos
sensores que lhe estão associados.
Na área da página destinada a cada paciente, é feita a sua identificação (nome,
idade, quarto e cama), seguida da apresentação dos sinais vitais monitorizados, como
pode ser observado na Figura 3.12. A estes, são também acrescentadas algumas
funcionalidades como:
Apresentação do nível das baterias de cada sensor;
Mudança da cor dos valores, de verde para vermelho, sempre que estes
saiam fora dos intervalos de funcionamento definidos;
Ativação de um alarme sonoro quando os sinais medidos estão fora dos
valores considerados normais;
Para os sinais algébricos, apresentação de valores de forma intermitente
quando se referem a medições demasiado antigas, em representação de
mau funcionamento dos sensores ou das redes.
Figura 3.12 - Applet destinado a cada paciente.
Para implementar a área de visualização de sinais vitais, foi escolhida a
tecnologia Java applet devido ao facto de permitir a integração da linguagem java na
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 41
interface Web construída, levando a que se pudessem utilizar algumas funcionalidades
gráficas, necessárias para o desenvolvimento do processo de amostragem dos sinais.
Sendo a execução do applet feita, através do Java Virtual Machine, apenas no
computador cliente, surgiu a necessidade de recorrer ao protocolo HTTP para
estabelecer a comunicação entre o applet e o servidor, como meio de acesso aos
dados do sistema.
O método implementado para atualização em tempo real dos valores sensoriais
consiste em efetuar um pedido ao servidor, para que, sempre que novos dados forem
adicionados à Base de Dados, estes sejam transmitidos para o applet do paciente
correspondente, o qual se encarrega de efetuar a representação desses novos valores.
No caso dos valores representativos do sinal de ECG, estes são enviados em
conjuntos de 50 amostras, das quais são retirados os pontos necessários para a
representação gráfica do sinal. Estes conjuntos de amostras são alocados em
diferentes elementos de uma lista Queue, que após a representação gráfica de cada
um dos grupos de amostras agregados elimina o elemento correspondente, libertando
espaço na Queue para inserção de novos valores.
O processo de atualização dos valores numéricos relativos aos sinais de
oximetria, temperatura ou frequência cardíaca consiste em, a cada 500 milissegundos,
ler o valor contido no elemento de um Array referente ao tipo de dado que se quer
atualizar (posição 0- oximetria, 1- frequência cardíaca, 3- temperatura). Para garantir
que os dados apresentados são referentes apenas à última medição efetuada, sempre
que um novo valor é recebido, este é colocado na posição do Array correspondente,
substituindo o anterior, o que leva a que este novo valor seja o apresentado após a
atualização do layout do applet. De referir ainda que as imagens referentes ao estado
das baterias dos sensores seguem também este procedimento de atualização.
Nesta área de monitorização, os utilizadores têm ainda possibilidade de
consultar a evolução temporal dos sinais medidos, através da opção de visualização de
históricos, sendo a apresentação desses dados idêntica à que pode ser observada na
Figura 3.13.
Todas as características da plataforma de monitorização foram planeadas para
que as instâncias criadas durante a utilização do site pudessem ser executadas em
qualquer browser Web, sem que se tivesse que recorrer ao uso de softwares próprios
Capítulo 3 – Projeto MOHLL
42 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
ou mais dificilmente acessíveis. A utilização de bibliotecas livres para implementação
dos applets é um dos exemplos das opções tomadas para que utilização deste sistema
pudesse ser tão generalizada quanto possível.
Figura 3.13 – Janela de histórico de temperatura de um paciente
No sentido de gerir os pedidos efetuados pelas instâncias de monitorização
criadas, foi desenvolvida uma Aplicação de Acesso aos Dados (AAD) dentro do Servidor
do sistema. Esta tem uma arquitetura semelhante à ARD descrita anteriormente,
igualmente dividida por camadas: Camada de Apresentação, Camada de Negócio e
Camada de Dados. Respetivamente, as suas funções visam comunicar com o applet;
fazer consultas periódicas à BD, enviar novos dados e estabelecer a ligação entre as
outras camadas; fazer a abstração à BD. Este tema voltará, no entanto, a ser abordado
com mais pormenor no ponto 4.3.2.
Esta aplicação é responsável por gerir o canal de comunicação existente entre o
servidor e o applet, que é aberto após a execução do primeiro pedido de informação,
mantendo-se assim até que a comunicação seja terminada por qualquer uma das
partes. Através do mesmo, são enviados dados sempre que exista uma atualização dos
valores referentes às medições feitas pelos sensores associados ao paciente cujo
estado se pretende monitorizar.
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 43
CAPÍTULO 4
Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
4.1. Introdução
Como derivação do projeto apresentado no CAPÍTULO 3, foi idealizado um
sistema móvel de monitorização e gestão pessoal. Este teria como principal objetivo
permitir ao pessoal médico um permanente acompanhamento do estado dos
pacientes, quer em situações de análise de rotina, quer em casos urgentes, em que a
opinião de um médico especialista fosse importante, podendo este não se encontrar
próximo do paciente crítico. Como acréscimo, foi definido, que pessoal autorizado pelo
sistema teria meios para gerir todas as informações relacionadas com os pacientes e
respetivos equipamentos de recolha de sinais vitais, o que no caso de algumas
operações de associação se poderia tornar bastante útil, devido à mobilidade deste
sistema. Outra das suas utilizações previa a possibilidade de os próprios pacientes
terem também acesso aos seus dados fisiológicos e controlar o seu estado de saúde,
contribuindo para que estes pudessem intervir de forma mais fundamentada nos
cuidados de saúde recebidos.
Com base nestes pressupostos, e tendo em consideração todos os elementos do
projeto MOHLL implementados anteriormente, foram então definidas as orientações
para integração do sistema móvel de monitorização. As decisões tomadas impunham
que esta integração fosse efetuada de modo a aproveitar o trabalho anteriormente
desenvolvido, isto é, partindo do sistema de recolha e armazenamento de dados, criar
condições para que o suporte às aplicações dos sistemas móveis (PDAs) fosse feito em
bases semelhantes às utilizadas para o suporte aos browsers, ou seja, através de um
sistema de comunicação assente no protocolo HTTP. Esta solução pretendia conservar
a simplicidade da arquitetura do elemento servidor do projeto, excluindo a
necessidade de modificações estruturais para acolher um novo meio de ligação entre a
base de dados e os dispositivos móveis. Na Figura 4.1 pode ser observada a arquitetura
do sistema após a inclusão dos elementos de apoio às aplicações móveis de
monitorização e gestão.
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
44 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
Figura 4.1 - Sistema de Monitorização e Gestão (Subsistema Móvel - a vermelho) [Adaptada de Pe09].
Este capítulo tem como propósito apresentar todo o trabalho efetuado para o
desenvolvimento das plataformas de suporte ao sistema móvel de acompanhamento
médico, abordando os vários temas pertinentes à elaboração do mesmo. Partindo da
análise dos requisitos funcionais, das tecnologias utilizadas e dos equipamentos
disponíveis, são descritos os passos relevantes da implementação e fundamentadas as
opções tomadas no sentido de atingir os objetivos propostos.
4.2. Conceitos Teóricos e Hardware
Para melhor compreender as opções tomadas durante a fase de implementação
das aplicações desenvolvidas para permitir o acompanhamento remoto de pacientes, é
necessário ter algumas noções de quais as restrições técnicas, tanto ao nível de
software como de hardware e quais os meios disponíveis para atingir esses fins.
Nesta secção, pretende-se descrever os conteúdos teóricos, os equipamentos, as
tecnologias mais relevantes e as plataformas de desenvolvimento utilizadas para a
implementação do sistema de monitorização, em tempo real, com recurso a
plataformas móveis.
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 45
4.2.1. Equipamentos Móveis
Os vários equipamentos móveis de comunicação, como PDAs e smartphones,
que têm vindo a ser disponibilizados no mercado apresentam inovações tecnológicas
que permitem aumentar consideravelmente as suas aplicabilidades, bem como
potenciar novas abordagens à utilização destes. Na sua origem, estiveram os
telemóveis e comunicações através das redes das operadoras móveis que, com os
avanços que lhes foram sendo introduzidos, se transformaram em aparelhos com
verdadeiras capacidades computacionais. Diversas características podem ser
apontadas como responsáveis por este facto, sendo que as mais importantes são:
Boa capacidade de processamento;
Elevada capacidade de armazenamento;
Comunicações sem fios: Bluetooth, Wi-Fi e/ou infravermelhos (IrDA);
Acesso à internet (Web browser, e-mail, etc.);
Sistemas operativos desenvolvidos de raiz;
GPS integrado;
Captação de imagens em alta resolução;
Reprodução de ficheiros de som e vídeo de elevada qualidade, bem
como possibilidade de leitura e edição de ficheiros do MS Office ou de
outros ficheiros multimédia;
Aumento do tamanho dos visores e ecrãs tácteis com boas resoluções.
A tendência é que estes recursos continuem a sofrer melhoramentos, ao mesmo
tempo que novas funcionalidades vão surgindo.
Paralelamente a estes aspetos, surge também a possibilidade de desenvolver
software dedicado, ou seja aplicações específicas para um determinado equipamento,
marca ou, mais recentemente, para um dado sistema operativo, tendo possibilidade
de interagir com os vários recursos disponibilizados pelo equipamento, como o GPS ou
a câmara. Em 2009, o valor gasto neste tipo de aplicações, compradas ou subscritas
pelos utilizadores, rondou os 10 mil milhões de dólares, sendo previsível que este valor
suba para cerca de 32 mil milhões de dólares em 2015 [Hol10], tornando visível a
importância deste novo tipo de mercado na proliferação destes equipamentos.
Associada ao facto de estas aplicações poderem ter objetivos que vão desde o
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
46 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
entretenimento à prestação de serviços, está a possibilidade de qualquer pessoa ter ao
seu alcance ferramentas que lhe permitem desenvolver as suas próprias aplicações,
fator que tem conduzido muitas empresas e utilizadores particulares a apostar neste
ramo de atividade, quer para comercialização, quer para utilização própria das
aplicações desenvolvidas. Na presente dissertação, é feito o recurso a essa capacidade
de criação de software para, tirando partido das capacidades de um dado
equipamento, conseguir executar uma determinada atividade.
O equipamento utilizado é o PDA Qtek 9090 com o sistema operativo Windows
Mobile 5.0 (após atualização) e tem as seguintes características ao nível do hardware
[Mq10][Gsm10]:
Processador Intel PXA263, 400 MHz
Memória: 32 MB ROM, 128 MB SDRAM
GSM/GPRS: GSM Quad-band 850/900/1800/
1900; GPRS, Classe 10 Multi-slot
Bluetooth versão 1.1
WLAN integrada: Wi-Fi 802.11b
Porta de Infravermelhos IrDA SIR
Porta de 22 pinos para: USB; Alimentação;
Áudio; Porta série
Expansões: slot para cartões MMC/SDIO;
conector para antena externa; Jack áudio
(2.5 Ø), slot para cartões SIM
Câmara a cores CMOS VGA, 640x480 pixéis
Teclado integrado QWERTY
Ecrã TFT-LCD 240 x 320 pixéis de 3.5
polegadas, táctil, 64K cores
Bateria Li-Ion 1400mAh, amovível
Dimensões: 71.6mm x 1125mm x18.7mm
Peso (c/ bateria) 205g
Uma das propriedades com maior relevância no âmbito deste projeto está
relacionada com as capacidades de comunicação disponibilizadas. Estas são analisadas
Figura 4.2 - Qtek 9090 [Gsm10].
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 47
de seguida.
4.2.2. Sistemas de Comunicação
Uma parte determinante na eficiência do sistema de gestão de dados está
relacionada com os meios de comunicação utilizados para transferir informação entre
os vários elementos computacionais do sistema. Em termos práticos, este facto pode
ser corroborado pela necessidade de, sempre que é efetuada qualquer ação
relativamente à monitorização ou gestão de dados do sistema, ter de se estabelecer
uma ligação ao servidor do sistema, visto aí se encontrar concentrada toda a
informação necessária.
Tendo em conta todo o trabalho previamente desenvolvido e todas as opções
tomadas até ao início desta tese, a utilização do protocolo HTTP como meio de
comunicação entre o PDA e o servidor surgiu de forma evidente. Esta opção, para além
de simplificar o sistema de comunicação, restringindo todas as transferências de
informação com o servidor a um só protocolo, permite ainda aproveitar os recursos de
abstração à base de dados (AAD) sempre que as ações a executar pelo PDA tiverem
correspondência às opções disponíveis no site. Como exemplo, pode ser apresentada a
situação em que se pretende associar um sensor a um paciente. Tanto através do site
como através do PDA esta opção estaria disponível e, pese embora mensagens
enviadas terem conteúdos diferentes, o processo de interação com a base de dados
seria igual nos dois casos.
HTTP
O HTTP (Hypertext Transfer Protocol) é um protocolo, ao nível aplicacional, usado
em sistemas de informação de hipermédia distribuídos e colaborativos, desenvolvido
para transmissão de dados e ficheiros [IETF99], sendo considerado como a base para
maioria das comunicações estabelecidas na Internet atualmente.
O protocolo HTTP é baseado numa estrutura de pedidos/resposta entre um
cliente (ex: Web browser) e um servidor. Este último, é responsável por agregar todas
as informações necessárias, bem com disponibilizar o acesso aos recursos desejados
pelo cliente, e sempre que recebe um pedido (HTTP request), responde enviando uma
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
48 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
mensagem com a informação desejada pelo cliente, ou simplesmente o informa sobre
do estado de execução das ações solicitadas.
Todas as mensagens obedecem a uma estrutura definida por uma linha inicial
obrigatória (request line), seguida das linhas cabeçalho onde são passadas informações
relativas à configuração da mensagem enviada e formato da resposta pretendida. No
esquema de pedidos, o princípio de ligação é feito através da localização e
identificação dos recursos desejados pelo cliente, e que são acedidos com base no
esquema de identificação URI (Uniform Resource Identifier).
A estrutura da pilha protocolar da Internet supõe a interação entre várias
camadas de protocolos distintos. No caso, para suporte às aplicações HTTP, é
requerida uma elevada fiabilidade no que toca à transferência de pacotes dados,
gerida pelo protocolo usado na camada de transporte. Assim se justifica que, na
maioria dos casos, seja o protocolo TCP o escolhido para estabelecer ligações entre
servidores e clientes, por este ser o método mais fidedigno no que toca à comunicação
de dados de forma ordenada e sem falhas, devido à gestão de erros no fluxo de bytes e
à garantia de entrega de pacotes. Sempre que se recorre ao protocolo TCP, a fase de
transmissão de dados é precedida por uma fase configuração da conexão, que é
encerrada logo que esta já não seja necessária. Até à versão HTTP/1.1, este era o
procedimento mesmo que o objetivo fosse receber uma atualização constante da
resposta para um mesmo pedido [EdC01], ou seja, para efetuar esta atualização era
necessário enviar constantemente o pedido. Esta característica tornava o streaming de
dados através deste protocolo numa tarefa bastante complexa e/ou muito limitada.
No entanto a partir da versão HTTP/1.1, foi introduzido um mecanismo de reutilização
de conexões, permitindo que fossem obtidas atualizações constantes da resposta para
um mesmo pedido. No projeto que nesta dissertação se apresenta, este recurso foi
utilizado para possibilitar o processo de monitorização em tempo real, ou seja, o
streaming de dados referentes aos sinais vitais recolhidos.
Dentro do trabalho desenvolvido, em todos os processos de comunicação,
streaming ou não, existe uma ligação entre sistemas computacionais que recorrem a
diferentes linguagens, mais especificamente Java no servidor (AAD) e C# no cliente
PDA. Portanto, foi necessário recorrer a um protocolo de mensagens que fosse
suportado por cada uma dessas linguagens. Visto que, o sistema servidor utiliza um
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 49
processo de transferência de dados com o applet que recorre ao método Post, foi
assim definido que este seria também o método utilizado nas comunicações com o
PDA.
Um método é um campo nas configurações dos pedidos HTTP que identifica a
ação que deve ser executada no objeto identificado no URL, neste caso no servidor. O
método Post tem a particularidade de, para além de permitir incluir no corpo da
mensagem informação ou parâmetros para serem processados pelo recetor, não ter
limite no que toca ao tamanho das mensagens enviadas [HW11].
Para implementar este protocolo foi usada a função doPost da classe
HttpServlet, no caso da linguagem Java, enquanto que no caso da aplicação móvel
desenvolvida em C# foram utilizadas as classes WebRequest e Webresponse
pertencentes ao namespace System.Net da .NET Framework Class Library.
4.2.3. Software
Para desenvolvimento deste projeto, foram usadas diferentes linguagens e
ambientes de desenvolvimento. As escolhas efetuadas, quanto à utilização destes,
tiveram em conta fatores relacionados com os equipamentos disponíveis e respetivos
sistemas operativos, bem como outras questões relacionadas com o anterior
desenvolvimento das aplicações do servidor. No caso da aplicação para o PDA, e visto
este recorrer ao sistema operativo Windows Mobile, no caso a versão 5.0, foi definido
que as aplicações a criar fossem desenvolvidas com base na plataforma .Net Compact
Framework. Todas estas premissas levaram a que se optasse pela ferramenta de
desenvolvimento da Microsoft, o Visual Studio 2008. Quanto às aplicações de suporte
implementadas no servidor, estas foram desenvolvidas usando o software IDE Eclipse.
Nos seguintes pontos serão apresentadas algumas informações adicionais e
detalhes acerca destas plataformas e restantes componentes de software de
linguagens usadas.
Windows Mobile
O Windows Mobile foi desenvolvido pela Microsoft, a partir do Windows CE
(Windows Embedded Compact), com o intuito de ser utilizado como sistema operativo
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
50 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
de dispositivos computacionais móveis, quer estes tivessem ou não propriedades
telefónicas. Assim seria possível executar tarefas semelhantes às disponibilizadas pelo
Windows para um PC comum, utilizando versões específicas das ferramentas MS
Office, Internet Explorer, Outlook ou Windows Media Player, entre outras.
Várias versões foram lançadas, tendo sido introduzidas inovações em cada uma
delas. Uma dessas inovações esteve relacionada com a disponibilização de ferramentas
de suporte a aplicações de software desenvolvidas num ambiente externo à Microsoft,
quer por programadores independentes quer por outras empresas, o .Net Compact
Framework. Neste projeto é utilizado um PDA em que o sistema operativo foi
atualizado da versão 2003 SE para a versão 5.0 do Windows Mobile, possibilitando
assim o uso de ferramentas mais recentes no desenvolvimento das aplicações
implementadas.
A utilização deste SO foi definida no início do projeto tendo em conta que para
além de se ter disponível um equipamento que o suportava, este tinha na altura uma
significativa cota no mercado dos sistemas operativos para dispositivos móveis. Este
mercado tem vindo a crescer significativamente, e não tendo o Windows Mobile
acompanhado este crescimento em volume de vendas, a sua cota de mercado
diminuiu bastante, devido em grande parte ao aparecimento de novos sistemas
operativos como o IPhone da Apple ou o Google Android. Em 2010, a Microsoft
anunciou que não iria continuar o desenvolvimento do Windows Mobile, substituindo-
o por um sistema operativo completamente novo, o Windows Phone 7.
.Net Compact FrameWork
O .Net Framework é uma ferramenta desenvolvida pela Microsoft com o objetivo
de disponibilizar um meio de suporte ao desenvolvimento e execução dos códigos das
aplicações de software. Estas podem ser implementadas recorrendo a diversas
linguagens orientadas ao objeto, o que permite a interoperabilidade entre aplicações,
mesmo que estas sejam desenvolvidas em linguagens diferentes. Uma das
componentes fundamentais desta plataforma é a sua extensa biblioteca, que, entre
outros, faculta os comandos para criação de interfaces gráficas, acesso a base de
dados ou gestão dos recursos referentes às comunicações de rede e a aplicações Web.
A outra componente fundamental está relacionada com a gestão do código das
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 51
aplicações criadas para o .Net Framework, durante a fase de execução destas. Esta
gestão é feita pelo Common Language Runtime (CLR), uma máquina virtual para
execução dos programas que, para além de permitir uma abstração ao hardware,
também tem funções como administração de memória, segurança ou gestão de
exceções [NF11].
No sentido de obter as mesmas funcionalidades de desenvolvimento e execução
de aplicações, mas para dispositivos móveis, foi desenvolvido o .Net Compact
Framework que, partindo da mesma arquitetura que a versão de base, tem
características que permitem gerir melhor os recursos disponibilizados. As limitações
de bateria e processamento dos dispositivos a que este Framework se destina levaram
a que fosse necessário reduzir o número de classes disponibilizadas e comprimir o CLR,
tendo por outro lado sido acrescentadas funções específicas para aproveitar as
características desses mesmos equipamentos bem como para permitir a integração e
interação das aplicações criadas com o restante software. Na Figura 4.3 é possível
observar a estrutura da plataforma .Net Compact Framework.
Neste Projeto foi utilizada a versão 3.5 do .Net Compact Framework, tendo sido
para isso efetuada uma atualização deste software no dispositivo utilizado, bem como
uma alteração no esquema de registos do PDA.
Figura 4.3 - Arquitetura da plataforma .Net Compact Framework [NCF11]
Visual Studio
O Visual Studio é um IDE disponibilizado pela Microsoft para servir como
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
52 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
plataforma de desenvolvimento de software, que pode ir desde aplicações para
interfaces gráficas até vários tipos de aplicações Web, sendo para isso disponibilizados
diferentes tipos de linguagens de programação como C/C++, VB.NET, C#,
HTML/XHTML ou JavaScript. As aplicações criadas têm como destino as plataformas da
Microsoft: Windows, Windows Mobile, Windows Phone, Windows CE, .Net
Framework, .Net Compact Framework e Microsoft Silverlight.
Foi utilizada a Professional Edition do Visual Studio 2008 para criar as aplicações
de gestão e monitorização a serem executadas no dispositivo móvel com o SO
Windows Mobile 5.0. Foi necessário para isso integrar com o Visual Studio um SDK
(Software Development Kit), no caso o Windows Mobile SDK 5.0, e que inclui
ferramentas de emulação para permitir efetuar testes e a depuração das aplicações
durante a sua fase de desenvolvimento. Todo o código das aplicações criadas para o
dispositivo móvel foi criado recorrendo à linguagem computacional C# (C Sharp).
Eclipse
O Eclipse é uma plataforma de desenvolvimento de software, disponibilizado de
forma gratuita, que contém um IDE com suporte para várias linguagens de
programação, mas que está normalmente associado ao desenvolvimento de aplicações
em Java. De base apenas as ferramentas para desenvolvimento para Java (JTD Java
Development Tools) são disponibilizadas, sendo necessário acrescentar diferentes
plug-ins caso se pretenda utilizar outras linguagens ou ferramentas.
No projeto descrito nesta dissertação foi utilizada a plataforma Eclipse, versão
3.5 (Galileo), para desenvolvimento das funções Java, de suporte às aplicações móveis,
integradas na estrutura previamente implementada do servidor do projeto. Nesse
sentido, foram especialmente úteis as ferramentas de suporte a servidores (p.ex:
Apache Tomcat) disponibilizadas, que permitem, entre outras opções, testar as
funções do servidor diretamente no ambiente desenvolvimento.
Apache Tomcat
O Apache Tomcat é um container de servlets desenvolvido pela Apache Software
Foundation, e é distribuído de forma gratuita, sendo o meio de referência para
implementação das tecnologias Java Servlet e JavaServer Pages (JSP) da Sun
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 53
Microsystems. Possui ainda a possibilidade de desempenhar o papel servidor Web
HTTP para serviços implementados em Java, podendo ainda ser integrado com outros
servidores Web dedicados.
Foi utilizada a versão 6.0 do Tomcat para implementar o servidor do projeto, que
para além de disponibilizar as páginas Web desenvolvidas para a gestão e
monitorização via Web Browser continha também todos os serviços de apoio do
sistema (ARD e AAD).
MySQL
O MySQL é um sistema gestor de base de dados (SGBD), que se baseia na
linguagem SQL (Structured Query Language) para criar os mecanismos de interação
com registos de informação.
Características como a sua elevada fiabilidade e estabilidade, reduzida exigência
de recursos e facilidade de utilização ajudaram a tornar esta ferramenta na SGBD mais
utilizada no mundo, inclusivamente por empresas responsáveis por serviços Web
utilizados mundialmente e em larga escala por empresa como a Google, a Wikipedia
ou o Facebook, nas quais a fiabilidade relativa à gestão, divulgação e relacionamento
de dados è enorme.
Esta ferramenta tem uma enorme portabilidade, sendo capaz de suportar mais
de 20 plataformas, entras as quais: Linux, Windows, Mac OS, Solaris, HP_UX, IBM AIX.
Isso, em conjunto com as APIs específicas para utilização nas mais variadas linguagens
de programação, como Java, Visual Basic, C/C++, C#, Perl, PHP ou ASP, torna o MySQL
numa poderosa ferramenta também no desenvolvimento de sistemas informáticos
que necessitem de uma gestão fiável de dados.
No caso do projeto apresentado nesta dissertação, o MySQL foi utilizado no
desenvolvimento da base de dados onde são guardados todas as informações do
sistema, numa arquitetura de relações já apresentada, Figura 3.9. Para o acesso à base
de dados foi utilizada a API disponibilizada para a linguagem Java sobre na qual está
implementado o servidor do sistema, sendo este único elemento do projeto que acede
diretamente à base de dados.
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
54 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
4.3. Estrutura e Análise Funcional das Aplicações Desenvolvidas
4.3.1. Análise de Requisitos
Numa fase inicial do processo de planeamento, foram definidos os requisitos
funcionais da aplicação de monitorização móvel, tendo em conta tanto os fatores
estruturais do sistema MOHLL, previamente implementado, como as especificidades
inerentes à utilização dos referidos dispositivos móveis. Esta pré-análise do papel e
características de que o sistema de monitorização móvel deveria ser dotado traduziu-
se na definição dos seguintes requisitos funcionais como elementos base da aplicação
a instalar no PDA:
Autenticação, através de correlação username/password de modo a
restringir os acessos apenas a utilizadores autorizados.
Funcionalidades de gestão operacional do sistema global de monitorização.
- Gestão de dados dos pacientes (adicionar, editar, eliminar);
- Gestão de sensores (adicionar, eliminar);
- Gestão de associações sensores-paciente (associar, editar, desassociar);
- Definição de limites mínimos e máximos aceitáveis para cada um dos
sinais fisiológicos recolhidos de modo individual para cada paciente.
Visualização de todos os dados recolhidos.
- Visualização, em tempo real, dos dados referentes a cada um dos sinais
fisiológicos recolhidos;
- Representação gráfica das variações dos dados captados ao longo do
tempo;
- Apresentação de informação anexa à monitorização, como o nível da
bateria de cada sensor ou indicação sobre a disposição dos valores
medidos, fora ou dentro dos limites definidos para cada paciente.
Um dos fatores considerados durante a elaboração desta lista foi tentar garantir
que a maioria das capacidades disponibilizadas no site pudesse ser transportada para a
aplicação móvel. Assim, tanto as funções de monitorização como as referentes à
gestão do sistema poderiam ser acedidas de modo mais prático. No entanto, as
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 55
funções relacionadas com a gestão de utilizadores, isto é, adicionar, editar e eliminar
dados referentes aos utilizadores, como nome, username e password, bem como a
definição do grau de acesso facultado, não foram incluídas no grupo de
funcionalidades atribuídas à aplicação móvel, visto não ser uma necessidade
recorrente no processo de funcionamento do sistema global de monitorização. Este
processo seria apenas disponibilizado através do site e, como previamente descrito,
apenas acessível ao(s) utilizador(es) administrador(es).
Nas considerações iniciais deste projeto, foi definido que o programa criado teria
um propósito de utilização esporádica, isto no que toca ao tipo de monitorização a
praticar: de rotina, de consulta; bem como no que se refere às situações de gestão
onde, previsivelmente, será mais utilizado: auxílio prático ao trabalho dos responsáveis
por interagir com os pacientes e controlar a distribuição dos sensores.
Esta premissa foi assumida de certo modo pelas limitações que um equipamento como
um PDA ou um smartphone tem, no que toca especialmente à duração da sua bateria,
especialmente quando o seu sistema de comunicação Wi-Fi necessita de estar em
atividade constante, como é o caso.
A acrescentar a estas apreciações, foi ainda determinado que as aplicações a
desenvolver teriam de ser capazes de sustentar alguns fatores críticos como a
capacidade de absorver falhas do sistema sem prejuízo para o utilizador, quer estas
fossem relativas ao meio de distribuição de dados, quer estas fossem provocadas por
qualquer tipo de limitação no equipamento usado.
A seguir são descritos mais pormenorizadamente os programas desenvolvidos
tanto para o PDA usado, como para o software embutido no computador servidor.
4.3.2. Servidor – Suporte a Aplicações Móveis
Visto o servidor ser o ponto comum de todas as comunicações, a correta
estruturação dos seus subsistemas de ligação externa surge como um dos fatores
críticos deste processo de troca de dados.
Para perceber as alterações introduzidas no servidor no sentido de este poder
responder a um novo tipo de cliente, a aplicação móvel, é necessário compreender
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
56 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
primeiro as especificidades do servidor no seu estado anterior à adição deste novo
cliente.
Como já foi mencionado, o servidor é constituído por diferentes componentes,
cada um com funções singulares. A base de dados, onde são agregadas todas as
informações do sistema de gestão e monitorização, é o elemento comum às duas
aplicações Web (DataCollect e WebServer) que completam os serviços do servidor.
Estas nunca cruzam informação diretamente, somente através da BD, e são
responsáveis por lidar com os dados provenientes de clientes distintos, respondendo a
pedidos de informação ou encaminhando os dados recebidos até à BD. O DataCollect
(ARD) está diretamente relacionado com o cliente gateway ZigBee – WiFi, até onde são
conduzidos, através da rede ZigBee, os dados medidos por cada um dos elementos da
rede de sensores. Quanto à função do WebServer (AAD), esta passa por interagir com
os clientes destinatários do sistema, ou seja, as aplicações destinadas a disponibilizar
ao utilizador o meio para consultar ou gerir todos os dados do sistema. O esquema de
ligações entre estes blocos pode ser observado na Figura 4.4.
Figura 4.4 - Relação entre os blocos do servidor
Tendo em conta a necessidade de acrescentar no servidor um meio que
permitisse o suporte à aplicação instalada no PDA, a opção tomada passou por não
acrescentar um sistema de suporte independente para efetuar a ligação da nova
aplicação à BD, mas sim inserir na organização precedente um novo ramo de ligação.
Deste modo seria possível manter a arquitetura do servidor já implementada, evitando
assim introduzir qualquer tipo de mudança estrutural, que potencialmente provocaria
um decréscimo de eficiência no sistema global.
A possibilidade de integração do sistema de suporte às aplicações móveis dentro
do programa servidor previamente desenvolvido apenas foi possível devido à sua
organização em subaplicações com funcionamento independente. No que se refere a
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 57
este projeto, foram mantidas todas as configurações da ARD (DataCollect) e, já que a
aplicação de monitorização móvel não previa o acréscimo de nenhum novo tipo de
dados, também foi definido que seria mantida a estrutura do modelo de relações da
base de dados. Visto esta ser partilhada também com os pedidos efetuados pelo
Website, uma alteração destas relações seria inviável, e um acréscimo de novas
relações, com repetição dos mesmos dados, traria reduzidos benefícios em
comparação com a maior complexidade organizacional que seria originada.
Como foi descrito no ponto 3.4.4, a estrutura da aplicação AAD assenta na
distribuição por camadas que tem como propósito fazer com que o funcionamento de
cada camada seja abstraído dos detalhes de implementação das restantes, fazendo
com que a interação entre as camadas seja efetuada exclusivamente através dos seus
elementos públicos.
Para permitir que o sistema servidor tivesse também um mecanismo de
interação com as funções de monitorização e gestão implementadas no PDA, foi
introduzida na AAD (WebServer) uma nova camada de aplicação com este propósito
específico.
Mas uma questão que vale a pena clarificar está relacionada com alguns
pormenores funcionais de cada uma das camadas previamente implementadas. Na
Figura 4.5 é possível verificar a estrutura criada para o suporte ao Web Browser. A
Camada de Dados é a única que estabelece uma relação com a BD, pois a sua função é
fazer a abstração da AAD aos dados do sistema. É por isso aqui que são organizadas as
queries a enviar à BD e as respetivas respostas a encaminhar às camadas superiores. A
Camada de Negócio, para além de efetuar a ligação entre as duas camadas adjacentes,
trata igualmente de todas as comunicações de dados com as paginas HTML do site,
excetuando as funções relacionadas com o applet Java, já que estas ficam ao cargo da
Camada de Apresentação. Este pormenor prende-se com o facto de o site ser visível no
cliente, mas ser gerado a partir do código JSP alocado dentro da máquina servidora,
contrariamente ao que acontece com o applet. Sendo este uma aplicação a ser
executada apenas no PC cliente, tem de utilizar o método Post para comunicar com a
máquina servidora através de um canal de streaming de dados. Isto implica que do
ponto para o servidor, os applet criados durante a monitorização no Web browser
sejam vistos como componentes externos, exclusivos do cliente.
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
58 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
Figura 4.5 - Distribuição por camadas da AAD (exclusivamente para o Web Browser) [Pe09].
Esta perceção por parte do servidor em relação aos serviços do applet é similar à
que o servidor tem sobre todas as funções do PDA, o que significa que no caso da
aplicação do PDA, todos os acessos ao servidor são feitos via método Post, pois esta,
tal como o applet, é executada exclusivamente no equipamento do cliente. Neste
sentido, o processo de integração do sistema de suporte às aplicações móveis passou
por adicionar uma Camada de Apresentação PDA (CAP) que funciona em paralelo com
a anteriormente implementada Camada de Apresentação. Mas, enquanto a mais
antiga apenas trata das comunicações com o applet e as suas funções de
monitorização, a nova camada executa todo o trabalho de receção e envio de
informações para a aplicação PDA.
Figura 4.6 - Arquitetura do sistema de suporte à aplicação PDA [adaptada de FeAfSi11]
Assim, no que se refere à aplicação móvel, as restantes camadas, a de Negócio e
a de Dados, podem ser vistas como uma única camada de abstração à base de dados,
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 59
como está esquematicamente demonstrado na Figura 4.6. Estas duas camadas
inferiores foram, no entanto, igualmente adaptadas para responder a algumas
características específicas das funções do PDA. Entre novas funções adicionadas, foram
também resolvidas questões de pormenor relacionadas com inconsistências de dados
durante o funcionamento quer do site quer da aplicação móvel.
A opção de não inserir as configurações de suporte numa mesma Camada de
Apresentação deveu-se essencialmente à incontornável possibilidade de aparecimento
de conflitos entre threads de comunicação, caso dois sistemas de proveniências
diferentes (PDA e site) estivessem a utilizar as funções de monitorização de sinais em
simultâneo. Isto devido ao elevado número de recursos necessários, sempre que o
envio de dados em tempo real relativos aos sinais medidos é requerido por qualquer
um dos sistemas, pelo applet contido no Web Browser ou pela janela de monitorização
da aplicação do PDA. No ponto seguinte, será abordado este tema novamente quando
for descrito o funcionamento desta parcela da aplicação móvel.
A Camada de Apresentação PDA (CAP) foi desenvolvida em linguagem JAVA e
recorre ao método doPost da classe Servlet (API Java) para responder aos pedidos, de
inserção ou consulta de dados, efetuados pela aplicação móvel através do protocolo
HTTP. Cada pedido, constituído de acordo com um protocolo de mensagens
previamente definido, é diretamente recebido pela CAP, que estabelece uma
correspondência direta a uma das suas subfunções. A partir daí, os pedidos são
descodificados, quer quanto ao tipo de ação a executar, quer quanto aos dados que
transporta, e seguidamente encaminhados para as camadas posteriores responsáveis
por aceder à base de dados. A CAP é depois responsável por enviar uma resposta para
a aplicação móvel com a confirmação de execução do pedido e, se for caso disso, os
dados requeridos. Os diagramas de sequência que representam os diferentes
protocolos para os diferentes tipos de comunicações estabelecidas entre o PDA e o
Servidor podem ser observados no Anexo I.
4.3.3. Aplicação para o PDA
O ponto de partida para o desenvolvimento da aplicação de monitorização e
gestão desenvolvida para o PDA foi tentar fazer com que um regular utilizador do site
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
60 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
desenvolvido para o projeto MOHLL pudesse reconhecer facilmente todas as
características e funcionalidades com as quais estaria habituado a trabalhar. Mas, visto
esta aplicação também poder ter como utilizador um próprio paciente do sistema,
também foi feito um esforço para que se percecionasse de modo relativamente rápido
as possibilidades disponibilizadas pela interface da aplicação.
Assim, a organização da interface assenta na mesma organização do site fazendo
com que passe a existir uma estrutura comum a todos os elementos clientes com os
quais todos os utilizadores trabalham, diminuindo desta forma o tempo de adaptação
necessário para interagir com os diversos sistemas. A estrutura da interface gráfica
criada para a aplicação pode ser observada na Figura 4.7.
Tendo em conta o tipo de informação com que este sistema trabalha, a utilização
de um sistema de autenticação para restringir o acesso à informação apenas a pessoas
autorizadas é uma necessidade básica, sendo por isso o primeiro ponto de contacto
dos utilizadores com a aplicação. A partir daí os conteúdos disponibilizados a cada
utilizador diferem consoante o nível de autorização que lhes foi atribuído.
Os conteúdos estão divididos por três áreas de operação principais:
monitorização de sinais, gestão de pacientes e gestão de sensores. Os utilizadores
referenciados como Administradores ou Gestores têm acesso a todas as áreas de
funções, enquanto os utilizadores Visualizadores apenas tem a possibilidade de
interagir com as funções de monitorização de sinais. Na Figura 4.7 está distinguida a
vermelho a zona de operação à qual este último grupo de utilizadores está restringido.
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 61
Figura 4.7 - Diagrama da interface da aplicação.
Classe de Comunicação
A execução de uma grande parte das funções disponibilizadas pela aplicação
requer que seja estabelecida uma interação com o servidor do sistema, no sentido de
se proceder à transferência dos dados inerentes ao tipo de função a executar.
Considerando então o elevado número de comunicações levadas a cabo, sempre que a
aplicação é executada, resolveu-se criar uma classe de comunicação especificamente
para lidar com as transferências de informação com servidor e que se relaciona com as
diferentes funções disponibilizadas pela aplicação PDA. Um esquema da posição
relativa desta classe dentro da aplicação pode ser observado acima, na Figura 4.6,
encontrando-se aí referenciada como “Connection Class”.
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
62 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
Esta classe funciona como elemento público da aplicação, sendo através desta
que a aplicação comunica com o exterior. A sua implementação está assente num
modelo WebRequest / WebResponse ou, como o próprio nome indica, num esquema
de pedidos e respostas estabelecido com o servidor. Nas configurações das classes
referidas são indicados os processos e os métodos que elas devem utilizar com o
intuito de alcançar o servidor do sistema MOHLL. No caso específico, é indicado o URI
(Uniform Resource Identifier) do servidor, o método (Post) utilizado para efetuar o
pedido e o tempo máximo permitido para cada acesso, antes de a comunicação ser
dada como falhada. Estas configurações são depois associadas à mensagem codificada,
onde estão contidos os dados que uma determinada função da aplicação precisa de
enviar para o servidor, de modo a que este lhe responda com os dados pedidos. Na
Figura 4.8 é possível observar um diagrama que pretende apresentar os conceitos
sobre os quais é executado o processo de comunicação do PDA com o servidor.
Esta classe de comunicação implementa ainda um processo de certificação de
respostas previamente definido com o servidor, estabelecendo uma rotina de
verificação de cabeçalho da resposta, não estando este relacionado com o conteúdo
da resposta, mas sim com a origem dos dados. Quanto ao conteúdo, este é
posteriormente encaminhado para a área de código da função que despoletou o
pedido e aí sim efetuada a validação do conteúdo.
Figura 4.8 - Diagrama do processo de comunicação.
É necessário ainda referir que este processo não é utilizado pelas funções de
monitorização de dados em tempo real, pois a lógica de comunicação em streaming
não se coaduna com o perfil de pedido/resposta que esta classe pretende
implementar, visto o canal de acesso criado no início da comunicação encerrar logo
que a resposta tenha sido recebida. Visto as comunicações de monitorização
necessitarem de um canal aberto permanente, o princípio de comunicação usado varia
ligeiramente. Posteriormente será explicado este processo de transferência contínua
de dados de modo mais detalhado.
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 63
Interface gráfica e funções associadas
Neste ponto, são apresentadas as diferentes janelas (forms) que constituem a
interface da aplicação, assim como as funções disponibilizadas ao utilizador, bem como
os mais relevantes procedimentos auxiliares embutidos em cada janela.
Como já foi mencionado, a primeira janela com a qual os utilizadores entram em
contacto com a aplicação é a janela de autenticação, Figura 4.9. Nesta, para além das
funções relacionadas com a validação do utilizador, são gravados nas variáveis do
sistema o nível de autorização associado e a diferença temporal existente entre os
relógios dos dois equipamentos (PDA e servidor). Esta necessidade de saber qual o
atraso temporal entre estas duas componentes do sistema deve-se ao modo como os
dados das medições sensoriais são enviados pelo servidor. Associado ao valor medido
está obrigatoriamente o timestamp de recolha da amostra, mas este é calculado em
relação ao relógio do servidor. Daí, o fato de conhecer o horário exato em que cada
equipamento está sincronizado, permite à aplicação PDA avaliar a validade ou
antiguidade das medições recebidas.
Figura 4.9 - Janela de autenticação.
Nesta janela, o utilizador tem ainda a opção de configurar o IP do servidor, que é
depois utilizado na construção do URI usado na comunicação HTTP. Esta opção seria
apenas útil no caso de o servidor não ter um IP fixo, mas visto este ser um processo
pouco prático para os utilizadores esta opção será de futuro eliminada, ficando o
endereço do servidor gravado permanentemente nas definições da aplicação.
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
64 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
Após a correta autenticação do utilizador, este é encaminhado para a janela de
menu da aplicação, Figura 4.10 e Figura 4.11. Esta está dividida em três abas, que
funcionam basicamente como três janelas independentes. Na primeira, estão listados
os pacientes com sensores associados e só estes pois os restantes não são passiveis de
ser monitorizados; na segunda, surge a listagem de todos os pacientes do sistema e as
opções de gestão associadas a estes; na terceira, aparece a listagem e as funções de
gestão relacionadas os sensores do sistema.
Figura 4.10 – Menu: esq. Monitorização; dir. Gestão de Pacientes
Figura 4.11 - Menu - Gestão de Sensores
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 65
Durante o funcionamento do sistema, vários utilizadores em vários pontos de
acesso diferente podem interagir com os dados gravados na BD. Assim sendo, e tendo
em consideração que a Janela Menu tem de apresentar várias listas de componentes
do sistema, foi introduzido no código desta janela uma thread a correr em segundo
plano que faz consultas periódicas ao servidor no sentido de poder atualizar as listas
apresentadas, caso seja efetuada alguma alteração num dos componentes das listas.
Por exemplo, se um paciente fosse eliminado do sistema enquanto algum utilizador
desta aplicação estivesse na janela Menu, esse paciente iria desaparecer das listagens,
quer na aba de monitorização, quer na aba de gestão de pacientes.
Das opções na aba de janela, a função “Eliminar Paciente” é a única que não
direciona o utilizador para uma nova janela, mostrando apenas uma mensagem ao
utilizador no sentido de este confirmar a opção de eliminação.
Quanto às funções “Inserir Paciente” e “ Editar Paciente” presentes na aba de
gestão de pacientes, têm um funcionamento bastante semelhante, diferindo somente
na apresentação ou não dos dados do paciente consoante se pretenda Editar ou
Inserir, respetivamente. Esta apresentação dos dados de um paciente, quando se
pretende editar as suas informações, pressupõe, obviamente, uma consulta inicial ao
servidor de dados do sistema. Estas duas janelas podem ser observadas na Figura 4.12.
Figura 4.12 - Janela Inserir Paciente (esq.); Janela Editar Paciente (dir.).
Ainda dentro das opções de gestão, pode ser encontrada a função de
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
66 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
configuração de alertas, ilustrada na Figura 4.13. Aí o utilizador poderá definir os
valores máximos e mínimos para os quais os sinais fisiológicos do paciente são
considerados aceitáveis. Estes limites podem ser definidos quer o paciente tenha ou
não um sensor do tipo do limite que se está a definir, entrando posteriormente em
funcionamento quando o respetivo sinal fisiológico começar a ser monitorizado.
Figura 4.13 - Janela Configurar Alertas
Para finalizar as opções de gestão de pacientes, é disponibilizada a função
“Associar Sensores”, que serve para gerir a associação de sensores a determinado
paciente. Na Figura 4.14, são apresentadas as janelas relacionadas com esta opção. À
esquerda é apresentada a janela que faz a listagem dos sensores associados, e aqui
pode ainda ser feita a desassociação de qualquer dos sensores apresentados na lista
através do botão “DEL”. Caso se selecione a opção “Associar Sensor” é-se direcionado
para a janela apresentada do lado direito da Figura 4.14, onde são apresentados os
sensores que não estão associados a qualquer paciente. Neste caso concreto, não seria
possível associar nenhum dos sensores listados nessa janela, visto o paciente em
questão já ter a ele associados os tipos de sensores disponíveis na lista.
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 67
Figura 4.14 - Janela Listar Associações esq.; Janela Associar Sensor dir.
Quanto às opções disponibilizadas na aba de “Gestão de Sensores”, estas dão a
possibilidade ao utilizador de inserir um novo sensor, janela correspondente à
apresentada na Figura 4.15, ou permite que o utilizador elimine um sensor do sistema.
Esta segunda opção, tal como a função previamente apresentada de eliminação de
pacientes, não apresenta nenhuma nova janela, mas apenas uma mensagem com um
pedido de confirmação da ação.
As funções “Eliminar”, tanto a de Sensores como a de Pacientes, têm uma rotina
de verificação, implementada no servidor, que deteta se o componente que se
escolheu eliminar tem alguma associação a outros componentes, de modo a terminar
essa associação antes de apagar o campo correspondente da base de dados. Por
exemplo, quando se elimina um paciente, esta rotina verifica se este tem sensores
associados, e caso isto se verifique ela é responsável por libertar estes sensores para
futuras associações a outros pacientes.
Na Figura 4.15 pode ainda ser observado o teclado de apoio que surge no ecrã,
sempre que o utilizador entra numa janela na qual poderá ter de inserir caracteres.
Este pode no entanto ser minimizado para se poder ter uma maior visibilidade sobre a
janela e as suas opções.
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
68 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
Figura 4.15 - Janela Inserir Sensor
No que se refere à da aba de monitorização, é apenas disponibilizada ao
utilizador a função “Visualizar”, que o direciona até à janela de monitorização dos
sinais vitais do paciente selecionado. Esta, como pode ser observado na Figura 4.16,
tem um formato semelhante ao applet de monitorização do site. As informações
básicas do cliente a monitorizar começam por ser apresentadas no início da janela,
seguidas da área de representação gráfica do sinal de ECG, bem como das áreas de
apresentação dos valores (numéricos) dos restantes sinais. Neste caso, apenas estão
visíveis os espaços destinados à amostragem do valor de temperatura corporal e do
ritmo cardíaco. No entanto, esta janela está já preparada para receber a introdução
dos restantes sinais, de oximetria e pressão arterial. O valor apresentado nestes
campos tem ainda a informação acerca da posição destes valores em relação aos
limites definidos na área de gestão de pacientes: verde para os valores dentro dos
limites; vermelho para os valores fora dos limites, e que por isso requerem mais
atenção por parte do pessoal médico.
Cada sinal apresentado é acompanhado ainda da informação referente ao nível
da bateria do sensor que o está a recolher. No caso do sensor de ECG esta indicação
encontra-se no canto superior direito, enquanto os restantes sinais possuem esta
informação à frente do valor medido.
Uma funcionalidade acrescentada nesta janela é a possibilidade de controlar a
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 69
grossura da linha usada durante a representação gráfica do sinal de ECG, que pode
também ter a sua escala de representação vertical alterada através da função Zoom.
Figura 4.16 - Janela de Monitorização.
No final da janela de monitorização, é disponibilizada ao utilizador a opção de
visualizar também o histórico de qualquer um dos sinais que estão a ser
acompanhados, embora de modos diferentes. Em relação ao ECG, só é possível
apresentar o histórico referente ao último minuto de recolha do sinal, ou seja, durante
a visualização do sinal, existe uma função destinada a guardar os dados que estiverem
a ser recebidos, e caso o utilizador necessite de analisar um ponto específico desta
monitorização, a função de histórico de ECG permite que este pare a sua
representação e observe melhor esse acontecimento. No entanto, mesmo durante a
visualização do histórico, a função de gravação de sinal continua a guardar os dados
em tempo real, de modo a que o utilizador possa ainda visualizá-los noutra consulta ao
histórico de ECG. Este gráfico do histórico de ECG é representado sobre a mesma
grelha onde é feita a apresentação do sinal em tempo real. Como a escala temporal é
igual, a visualização do sinal pode ser feita utilizando uma barra de scroll horizontal
para alterar os intervalos de tempo da representação, Figura 4.17.
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
70 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
Figura 4.17 - Janela Histórico de ECG
Quanto aos históricos de temperatura e de ritmo cardíaco, a sua visualização é
feita numa janela onde são apresentadas as últimas 24 horas de visualização de
recolha do sinal, como pode ser visto na Figura 4.18. O funcionamento desta janela
consistem em requerer ao servidor todas as medições feitas por um tipo de sensor
(consoante o histórico que se está a visualizar), correspondentes às 24 horas
anteriores ao pedido, e posteriormente utilizar as funções gráficas de desenho
(System.Drawing) para representar a evolução temporal desse sinal.
Nesta janela, é disponibilizada ainda a função de Zoom, que permite ao
utilizador variar os intervalos de representação do sinal, permitindo que este alterne
entre uma visualização mais global da variação do sinal, até uma zona temporal mais
específica. No caso do histórico de Temperatura, o intervalo de observação mais
pequeno é de uma hora, enquanto para o sinal de ritmo cardíaco, este intervalo é de
10 minutos, devido ao facto de este sinal ter uma variação bastante mais inconstante
do que o sinal de temperatura corporal.
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 71
Figura 4.18 - Janela Histórico de Temperatura.
Monitorização
Em relação ao desenvolvimento da aplicação, as funções de monitorização são
simultaneamente as mais importantes e as mais exigentes ao nível da utilização dos
recursos gráficos, de processamento e de comunicação do PDA.
A primeira fase deste processo passou por encontrar a melhor forma de
implementar as funções de representação gráfica dos sinais. Visto o .Net Compact
Framework não suportar as funcionalidades gráficas disponibilizadas no comum .Net
Framework, e visto o equipamento utilizado ter algumas limitações gráficas, foi
necessário encontrar um método de representação que fosse suportado pelos
recursos dos PDA, e ao mesmo tempo que sustentasse as exigências temporais
requeridas para a mostragem do sinal de ECG.
Assim, o processo de representação escolhido baseou-se nas limitadas, mas
pouco exigentes funções de desenho disponíveis (System.Drawing.Drawing2D). A
partir do momento em que a área de desenho (plot area) é definida, a representação
dos gráficos é feita em função das fórmulas matemáticas de definição de retas entre
dois pontos, e das escalas utilizadas.
No caso do ECG, durante o processo de criação da janela de monitorização é
colocada no fundo da área de desenho uma imagem (classe System.Drawing.Bitmap)
que ajuda o utilizador compreender as escalas de representação do sinal, visto, neste
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
72 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
caso, não existirem legendas da escala. Como se pode ver na imagem ilustrada na
Figura 4.19, a escala de representação horizontal é de cerca de 2,4 segundos do sinal,
enquanto a escala vertical corresponde a 2,4 milivolts.
Figura 4.19 - Escala da area de representação do sinal de ECG
Foi definido que, quando a trabalhar em tempo real, a representação gráfica do
sinal de ECG é feita em blocos de 250 milissegundos, nos quais são reproduzidas as 50
amostras recolhidas para o intervalo correspondente. A continuidade da
representação é garantida por uma rotina que vai apagando o sinal antigo, à medida
que novas entradas do sinal são recebidas e que necessitam de utilizar essa área.
Tal como anteriormente mencionado, o esquema de comunicação nesta área da
aplicação é diferente de todas as restantes interações com o servidor. Por forma a
garantir a contínua receção dos valores medidos pelos sensores, a aplicação começa
por enviar ao servidor um WebRequest, onde são pedidas as medições efetuadas pelos
sensores associados ao paciente indicado na mensagem de pedido. A partir desse
momento, e até que a aplicação peça para encerrar a comunicação ou esta seja
encerrada por algum fator externo, fica estabelecido um canal de comunicação entre
os dois por onde são recebidos os dados das medições efetuadas. Na prática a
aplicação apenas recebe uma WebResponse para o pedido efetuado, mas visto o
servidor não dar a resposta por concluída, pode ir acrescentando dados à resposta à
medida que eles vão sendo acrescentados na base de dados, ou seja, do ponto de vista
da aplicação, os vários conjuntos de dados rececionado ao longo do tempo
correspondem a linhas da resposta.
Dentro da aplicação servidor, para responder às necessidades de comunicação e
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 73
apresentação dos dados recebidos, foi desenvolvido um sistema de threads para que
durante a execução dos diferentes processos do sistema não haja áreas de código
dependentes de outras. Assim para toda a gestão relacionada com a comunicação,
receção e armazenamento de dados por Arrays (baterias; ritmo cardíaco; temperatura)
e Queue (ECG), foi implementada a thread HttpConnection, enquanto que para lidar
com o aspeto gráfico da janela foram inseridos na thread principal do código duas
funções despoletadas por timers, uma para representar o gráfico de ECG a cada 250
milissegundos e outra para fazer a atualização dos restantes conteúdos da janela
(baterias e medições de ritmo cardíaco e temperatura corporal). Na Figura 4.20 pode
ser observado o esquema de funcionamento da área de visualização de dados da
aplicação para PDA:
Figura 4.20 - Funcionamento da Janela de Monitorização
Como demonstrado, ao longo de toda aplicação são executadas inúmeras
transações de informação com o servidor, mas tratando-se este de um sistema móvel
com recurso a ligações sem fios, a perda de sinal por este e por outros motivos foi uma
das preocupações tidas em consideração durante o processo de blindagem da
aplicação a inconsistências de funcionamento.
Assim, foi desenvolvida mais uma janela de recuperação de erros (Figura 4.21)
que, um pouco à imagem do que acontece por defeito num Web browser comum,
informa o utilizador acerca das falhas de comunicação que podem ocorrer durante a
execução do código do programa, dando-lhe depois a possibilidade de tentar efetuar
uma nova conexão ao servidor ou simplesmente sair e dar por encerrados todos os
recursos da aplicação.
Capítulo 4 – Sistema de Monitorização e Gestão Móvel
74 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
Figura 4.21 - Janela de Recuperação de erros de ligação
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 75
CAPÍTULO 5
Resultados Experimentais e Discussão
5.1. Introdução
Como meio de validação do funcionamento e operacionalidade das aplicações de
gestão e monitorização móvel anteriormente descritas, realizaram-se alguns testes
onde diferentes aspetos do comportamento das aplicações foram analisados. Neste
capítulo são apresentados os resultados obtidos durante a realização dos testes à
aplicação para o PDA implementada como parte do projeto MOHLL.
Embora apenas sejam apresentados os resultados finais, o processo de validação
foi sendo executado durante o decurso do desenvolvimento da aplicação, visto o
processo de criação do software ter sido baseado, em parte, no princípio de tentativa
erro, ao qual está associada a permanente validação das diferentes etapas do sistema.
Este processo de constante avaliação, onde foi garantida a certificação de todas as
opções disponibilizadas pela aplicação aos seus utilizadores, possibilitou que esta
avaliação final do sistema móvel de monitorização pudesse ser mais focada em
questões operacionais do ponto de vista do utilizador.
Todos os resultados apresentados de seguida foram efetuados tendo por base a
mesma configuração organizacional de elementos de rede, onde as comunicações
entre o PDA e o computador servidor foram executadas através de uma rede wireless
com um único router de encaminhamento de dados. Esta estrutura usada pode ser
observada na Figura 5.1
Router
PDA
WAN
WAN
Paciente-Sensor
ZigBee
Coordenador de Rede
Figura 5.1 - Organização do sistema de monitorização durante a fase de testes
Capítulo 5 – Resultados Experimentais e Discussão
76 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
5.2. Testes Não Funcionais
A influência que a utilização da aplicação tem no consumo energético do PDA, foi
um dos aspetos considerados durante a avaliação da aplicação, e os resultados obtidos
podem ser observados na Tabela II. Estes dados estão no entanto diretamente
relacionados com o PDA usado e respetivas características, como capacidade da
bateria ou o consumo do hardware. Como já foi referido, para efetuar todos os testes
da aplicação, foi utilizado o PDA Qtek 9090 que possui uma bateria de iões de lítio com
1400mAh de capacidade, que, devido ao facto de já ter um tempo de utilização
relativamente elevado, tem uma natural diferença de rendimento, quando comparada
com uma bateria nova.
Tabela II – Consumo energético e autonomia do PDA em função de diferentes modos de funcionamento
A análise destes resultados permite comprovar que a aplicação tem uma elevada
exigência ao nível do consumo energético, especialmente quando em situações de
monitorização, pois neste caso é constante a necessidade que o sistema tem de
recorrer à comunicação wireless para atualizar os valores dos sinais recolhidos pelos
sensores. A exigência é ainda maior quando o sinal de ECG está também a ser captado,
pois para este, além de ser requerido um esquema de comunicações ainda mais
complexo (1 pacote de dados a cada 250 milissegundos), está também associada a
representação gráfica do sinal, na mesma proporção temporal da receção dos dados.
Convém ainda referir que este teste foi efetuado em condições ótimas de receção de
sinal Wi-Fi, tendo o consumo de energia tendência a aumentar caso existam
Capítulo 5 – Resultados Experimentais e Discussão
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 77
interferências entre o PDA e router wireless.
Estes resultados vêm reforçar a ideia de que o sistema criado não tem
capacidade para suportar um tipo de monitorização contínua, tendo este um perfil
apenas indicado para uma utilização esporádica, de rotina ou de emergência. Este não
é, no entanto, um problema específico do sistema criado e a análise e procura de
soluções para este problema tem sido um tema amplamente debatido [VaHuCr10],
[CaHe10], pois o nível de desenvolvimento dos smartphones não tem sido
acompanhado convenientemente pela eficiência das suas baterias.
A apreciação do funcionamento de uma aplicação de software como esta pode
também ser feita em termos de rapidez de execução. Tendo em consideração que
durante a utilização da aplicação são efetuadas inúmeras transferências de pacotes
entre o PDA e o servidor do projeto, este tempo que demora a realizar cada tarefa está
dependente do número de transferências necessárias à sua conclusão e também do
caminho (número de hops) que os dados têm de percorrer na rede, ou seja, o número
de elementos de rede por onde os pacotes têm de passar para chegar do PDA ao
servidor e vice-versa. Na Tabela III são apresentados os tempos que a aplicação
demora a atingir determinada janela, partindo da janela de menu, sendo que entre a
Janela de Autenticação e a Janela de Menu o sistema demora cerca de 3,8 segundos a
carregar todas as informações e atualizar a interface.
Tabela III - Tempos de acesso às diferentes áreas do sistema
Como é expectável, as funcionalidades que necessitam de transferir mais
pacotes antes de as respetivas janelas apresentarem todos os dados que lhes estão
Capítulo 5 – Resultados Experimentais e Discussão
78 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
associados são que apresentam um maior atraso de acesso. No entanto, de um modo
geral, e como pode ser comprovado pelos valores apresentados, a aplicação cumpre as
suas funções dentro de um tempo razoável, tendo em conta a sua permanente
necessidade de transferência de informação.
Os dados recolhidos com a aplicação em funcionamento indicam que uma
simples comunicação com o servidor, usando a classe de comunicação HTTP da
aplicação, demora menos de um segundo.
Neste sentido, sempre que para apresentar uma janela é apenas necessário
efetuar um pedido de dados, como é o caso de Editar Pacientes, Associar Sensores,
Configurar Alertas ou na transição da janela de Monitorização para a Janela Históricos
(3,6 - 2,4), o tempo total para apresentação da janela de destino é pouco superior a
um segundo, visto ter de se acrescentar, ao tempo da comunicação, o tempo
necessário para configurar o layout da janela. As janelas em que o tempo de
apresentação é inferior a um segundo referem-se àquelas onde não é necessário
estabelecer qualquer ligação com o servidor antes de serem apresentadas.
No que se refere às opções de monitorização, tratando-se das mais importantes
e mais complexas funcionalidades disponibilizadas, estas foram analisadas do ponto de
vista do tempo de atraso com que os dados eram apresentados no ecrã do PDA, em
relação ao tempo de recolha dos dados. Este tempo está diretamente dependente da
sincronização entre a receção dos pacotes de dados e a sua representação. Após uma
primeira fase de experiências, em que este tempo de atraso tinha tendência a
aumentar ao longo do tempo devido a uma ligeira dessincronização entre a receção e
representação dos dados, foi conseguido atingir um ponto de equilíbrio que mantém
indefinidamente este atraso no intervalo de 1,5 a 2,5 segundos, dependendo da
quantidade e do tipo de sinais a serem acompanhados. Embora este resultado tenha
sido obtido para situações onde existe apenas um elemento de rede entre o servidor e
o PDA, o tempo conseguido pode ser considerado bom para um tipo de
acompanhamento que se pretende ser em tempo real.
5.3. Avaliação Médica
Um dos principais focos da avaliação a que as aplicações foram submetidas
Capítulo 5 – Resultados Experimentais e Discussão
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 79
passou por recolher feedback junto de elementos do pessoal médico do Hospital
Privado de Guimarães. Após uma breve descrição dos objetivos do sistema
apresentado e do projeto no qual este se inseria, já conhecido pela maioria dos
entrevistados, foi dada oportunidade de interagirem diretamente com todas as
funções da aplicação durante uma simulação de situações reais de monitorização,
como pode ser visto na Figura 5.2.
Figura 5.2 - Teste efetuado por um profissional de saúde do HPG [FeAfSi11].
Todos os intervenientes no processo de avaliação hospitalar foram depois
submetidos a um inquérito, que pode ser consultado no Anexo II, no qual se pretendia
aferir o desempenho da aplicação com que interagiram e a sua importância dentro de
um projeto de monitorização de pacientes não críticos.
A avaliação efetuada pode ser em parte traduzida no gráfico representado na
Figura 5.3, nomeadamente no que se refere à opinião dos médicos e enfermeiros
inquiridos relacionada com a parte técnica da organização e funcionamento da
aplicação. Ainda dentro da parte técnica, foi possível recolher a informação de que
nenhum dos inquiridos teve quaisquer dificuldades durante a utilização da mesma.
Do inquérito referido, foi possível ainda concluir que a maioria dos participantes
(6 de 7) considera que esta aplicação pode ter utilidade no acompanhamento clínico
dos utentes. Dentro das funcionalidades disponibilizadas, a possibilidade de
acompanhamento, em tempo real, dos sinais vitais de qualquer paciente, e a partir de
um dipositivo móvel, foi, de forma geral, considerado o aspeto mais relevante do
Capítulo 5 – Resultados Experimentais e Discussão
80 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
sistema que lhes foi apresentado. Dentro do campo destinado a críticas e sugestões,
foram dadas sugestões relativas, sobretudo, à melhoria do sistema global de
monitorização. Aqui destacam-se a referência à possibilidade de monitorização dos
outros sinais fisiológicos previstos para o sistema, tensão artéria e oximetria. Também
foi levantada a questão de esta aplicação ser exportada para outros sistemas
operativos mais utilizados atualmente. Quanto aos pontos específicos a esta aplicação
podem ser mencionados:
A necessidade de acrescentar um campo na informação do paciente onde
possam ser descritos os seus antecedentes clinicamente relevantes;
A melhoria do sistema de alerta da aplicação, que deveria indicar ao
utilizador, logo que entra na aplicação, todos os pacientes cujos sinais
vitais se encontram fora dos limites definidos;
A melhoria da escala vertical apresentada na janela de visualização do
histórico do ritmo cardíaco.
Esta última sugestão já foi, entretanto, implementada.
Figura 5.3 - Distribuição dos resultados da avaliação efetuada
Como complemento do processo de avaliação, foi ainda pedido a um
especialista, no caso ao cardiologista Dr. Otílio Rodrigues da Casa de Saúde de
Guimarães, para, após utilizar o sistema, dar a sua opinião sobre o funcionamento e
utilidade do sistema. Como pode ser visto no Anexo III, a sua opinião é que este tipo de
sistemas pode ser bastante relevante na monitorização clínica de pacientes internados
em ambiente hospitalar ou não, tendo ainda considerado que a aplicação permite
efetuar o tipo de acompanhamento a que se propôs de forma eficaz.
0 1 2 3 4 5 6 7
A visualização do ECG é adquada
A visualização da restante
informação é adequada
O menu de opções está
bem organizado
A aplicação é simples de
utilizar
O tempo de resposta da aplicação é adequado
4 3
4
2 1
2 2 2
4 5
1 2
1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Nú
mer
o d
e In
qu
irid
os
Concordo totalmente Concordo Não concordo nem discordo Discordo Discordo totalmente
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 81
CAPÍTULO 6
Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro
6.1. Conclusões
Era objetivo da presente dissertação construir um sistema de gestão e
monitorização médica que, recorrendo a um equipamento de computação e
comunicação móvel, permitiria disponibilizar aos profissionais de saúde um método
eficaz de leitura e controlo, em tempo real, dos indicadores significativos do estado
clínico dos seus pacientes. Após todo o processo de desenvolvimento e avaliação,
apresentado ao longo dos últimos capítulos, é possível concluir que o objetivo
proposto foi alcançado.
O sistema construído e apresentado na dissertação não é independente ou
isolado, pois insere-se num projeto global de monitorização denominado MOHLL.
Trata-se pois de um segmento ou de uma parte de um todo, do qual não pode ser
dissociado e que teve direta influência sobre a grande maioria das opções tomadas, no
decurso do desenvolvimento. Implementar, através de uma plataforma móvel, um
método de interação com o sistema de monitorização MOHLL teve pois de basear-se
na estrutura organizacional de funcionamento deste. Não foi, no entanto,
menosprezada a recolha de informação que pudesse influenciar as opções tomadas.
Dentro do que era pretendido foi desenvolvida uma aplicação em C# para um
PDA Qtek 9090 com o sistema operativo Windows Mobile, que estabelece, através do
protocolo HTTP, uma ligação ao servidor do sistema e onde se encontra a base de
dados que contém todas as informações necessárias ao funcionamento da aplicação
móvel.
Mesmo tendo sido encontradas algumas contrariedades no processo de
desenvolvimento de representação gráfica, todas as funcionalidades de gestão e
monitorização, necessárias para interagir com os pacientes, sensores e sinais
fisiológicos recolhidos, foram construídas com sucesso. O trabalho de criação do
suporte à aplicação móvel desenvolvida, instalado no elemento servidor e que
influencia diretamente a eficiência do sistema, teve também um bom comportamento
durante a fase de avaliação da aplicação, não tendo sido detetada qualquer anomalia
Capítulo 6 – Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro
82 Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis
ou evento prejudicial à coerência dos dados trocados com a aplicação móvel.
Após a fase de desenvolvimento o trabalho desenvolvido foi sujeito a uma série
de testes e simulações, em ambiente hospitalar, durante as quais foi possível recolher,
juntos de vários profissionais de saúde, a sua opinião acerca do funcionamento e
usabilidade da aplicação. Aqui, mesmo tendo sido apontados fatores que poderiam
contribuir para a melhoria da aplicação, a conclusão geral é que o sistema proposto
cumpre corretamente as suas funções de monitorização dos sinais de ECG,
temperatura e batimento cardíaco, bem como permite de modo razoavelmente
prático fazer a gestão dos vários elementos do processo de monitorização.
6.2. Trabalho Futuro
Embora os resultados apresentados tenham ido ao encontro dos objetivos
propostos, existe ainda uma boa margem de progresso, não só para este tipo de
aplicação, como para os sistemas móveis de apoio médico.
Uma das funcionalidades que poderia ser incluída no projeto MOHLL, e que está
diretamente relacionado com os dispositivos pessoais e portáteis dos profissionais de
saúde, é a criação de um centro de monitorização automática dentro do computador
servidor, que seria responsável por enviar alertas, através de mensagens SMS, sempre
que fosse detetada uma situação que requeira a atenção de um profissional
especializado. Este sistema teria, no entanto, de ser eficaz ao ponto de conseguir
detetar os acontecimentos realmente importantes, distinguindo-os de outros com
influências externas, como por exemplo a má colocação de um sensor.
Outro dos aspetos com elevada relevância numa perspetiva de melhoramento
deste sistema de monitorização móvel seria desenvolver uma aplicação idêntica, mas
para sistemas operativos mais recentes e com maiores capacidades, como o Android e
o Windows Phone 7, que, para além de uma melhoria significativa das potencialidades
disponíveis, também serviriam para adequação a um maior número e variedade de
equipamentos atuais.
Visto alguns dos mais recentes equipamentos lançados no mercado trazerem já
suporte para aplicações Java embutido nos seus browsers, outra possibilidade de
evolução, seria conseguir criar uma versão móvel do site desenvolvido para um
browser de Internet.
Sistema de monitorização e gestão de sinais vitais baseado em dispositivos móveis 83
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Document 053474r17, 2008.
Anexo I
Diagramas de Sequência
Protocolo de comunicações estabelecido na ligação do PDA aos Dados do
Sistema. Ligação do PDA ao servidor feita através do Servlet AAD (Aplicação de Acesso
aos Dados).
Comunicação para requisição de dados
Comunicação para inserção de dados
Comunicação para requisição de dados durante monitorização de pacientes
Anexo II
1. Inquérito (avalie as seguintes afirmações tendo em conta a sua experiência
durante a utilização da aplicação móvel de monitorização)
1
Discordo
Totalmente
2 3 4 5
Concordo
Totalmente
A visualização do ECG é
adequada
A visualização da
restante informação é
adequada
O menu de opções está
bem organizado
A aplicação é simples de
utilizar
O tempo de resposta da
aplicação é adequado
2. Perguntas
Considera que esta aplicação poderá ter utilidade no acompanhamento clínico de
pacientes não críticos?
Sim ____ Não ____ Não consigo avaliar ____
Se respondeu não à questão anterior indique os fatores pelos quais está reticente
quanto à utilidade desta aplicação.
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
Teve dificuldades em utilizar alguma das funções disponíveis?
Sim ____ Não ____
Se respondeu sim à pergunta anterior quais foram essas funções e quais foram as
dificuldades sentidas.
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
Quais as funcionalidades disponibilizadas pela aplicação que considera mais
relevantes?
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_______________________________________________________________________
Críticas e sugestões quanto à possível melhoria da aplicação.
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_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
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Anexo III