Fundamentos de Redes de Cuidados Médicos

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1 REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, VOL. 2, NO. 1, OUTUBRO Fundamentos de Redes de Cuidados Médicos Marcelo P. Sousa 1,2, Waslon T. A. Lopes 1,2, Francisco Madeiro 1,3 and Marcelo S. Alencar 1,2 1 Instituto de Estudos Avançados em Comunicações (Iecom), Campina Grande, PB, Brasil, 2 Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), Campina Grande, PB, Brasil. 3 Universidade de Pernambuco (UPE), Recife, Brasil. s: marcelo.portela@ieee.org, waslon@ieee.org, madeiro@poli.br and malencar@dee.ufcg.edu.br Resumo As redes de cuidados médicos têm se popularizado devido à evolução de tecnologias de comunicação, sensoriamento remoto e processamento embarcado. Além disso, existe uma crescente demanda por mudanças nos métodos de acompanhamento médico, devido ao aumento da população idosa, de doenças crônicas e da preocupação das sociedades com a saúde. Neste artigo, os autores apresentam os princípios, tecnologias e aplicações de redes de cuidados médicos. I. INTRODUÇÃO Nas últimas décadas, as condições de saúde da população mundial têm melhorado devido ao progresso contínuo da ciência, tecnologia e medicina, assim como à expansão de infraestrutura para melhorar a nutrição das sociedades e o tratamento sanitário das cidades. Os procedimentos operacionais para cuidados médicos têm constantemente sido renovados, impulsionados pelos adventos tecnológicos. Essas mudanças ocorrem pela transição de um modelo com foco exclusivo no profissional de saúde para um modelo com foco no cidadão [1]. Uma das tecnologias que viabilizam essa transição é o monitoramento remoto de saúde e o controle por meio de redes de cuidados médicos. As redes de cuidados médicos são capazes de integrar informações de saúde de pacientes, além de otimizar os processos de relato de diagnóstico, prevenção de doenças, atuação medicamentosa e socorro. Por meio da comunicação em rede, as informações de saúde podem ser encaminhadas para centros especializados, de maneira a estabelecer prioridades para o relato de emergência e de modo a utilizar corretamente os recursos das tecnologias disponíveis. Com os avanços nas tecnologias de comunicações sem fio, redes de sensores e dispositivos médicos, o monitoramento remoto de saúde tem se tornado uma área importante de pesquisa e desenvolvimento. De acordo com a Organização Mundial de Saúde (OMS), a telemedicina é a oferta de serviços ligados aos cuidados com a saúde, nos casos em que a distância é um fator crítico. Tais serviços utilizam tecnologias de processamento e comunicação para a troca de informações de diagnóstico, prevenção e tratamento de doenças. Elas também são úteis para a contínua educação de provedores de cuidados com a saúde, assim como para fins de pesquisas e avaliações. Essas medidas são tomadas com o intuito de melhorar a saúde dos indivíduos e de suas comunidades [2]. O monitoramento do estado de saúde de pacientes é a aplicação mais estudada entre os sistemas pervasivos de cuidados médicos. Os sinais vitais mais utilizados são relacionados às medições por eletrocardiografia, oximetria de pulso, temperatura corpórea, taxa de batimentos cardíacos e pressão arterial. A maioria dos estudos tem focado na captura e envio dos dados a um local remoto para avaliação especializada [3]. Os dados sensoriados são coletados por um coordenador de rede de área corporal (BAN Body Area Network), por exemplo. Nas redes de cuidados médicos, os dados coletados pelos coordenadores de uma BAN sem fio devem ser encaminhados para o devido processamento em uma estação central remota [4]. Este artigo apresenta uma visão geral sobre as principais tecnologias utilizadas para a implementação de redes de cuidados médicos. A Seção II apresenta os princípios das redes de cuidados médicos, com foco para a motivação, cenários e detalhamento dos subsistemas que compõem uma rede de cuidados médicos típica. A Seção III discute as principais tecnologias de comunicação utilizadas em redes de cuidados médicos. Algumas aplicações dessas redes são apresentadas na Seção IV e as considerações finais são feitas na Seção V. II. PRINCÍPIOS DE REDES DE CUIDADOS MÉDICOS Em redes de cuidados médicos, dispositivos de sensoriamento podem ser embarcados em uma variedade de instrumentos, para o uso em hospitais, clínicas, residências e áreas de emergência. Os objetivos incluem a detecção, diagnóstico, tratamento e gerenciamento de pacientes. Os benefícios da medicina moderna não seriam percebidos, ou não seriam financeiramente viáveis, sem o uso de sensores, como termômetros, monitores de pressão arterial, de glicose, eletrocardiógrafos e diversos sensores de imagem. Dispositivos sensores médicos combinam transdutores para a detecção de sinais elétricos, térmicos, ópticos, químicos, genéticos e outros com origem fisiológica com algoritmos de processamento de sinais para estimar características que indiquem o estado de saúde de um indivíduo. Sensores que medem sinais além dos de saúde (diretamente) também têm sido utilizados na medicina. Por exemplo, tecnologias para monitoramento de localização e proximidade têm sido usadas para melhorar o cuidado de pacientes e a eficiência da observação em hospitais, para acompanhar a difusão de doenças e o monitoramento dos comportamentos relacionados à saúde da população e exposição a aspectos ambientais negativos, como a poluição. Os avanços nas redes de cuidados médicos têm sido especialmente importantes em três áreas [5]:

2 46 REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, VOL. 2, NO. 1, OUTUBRO 2012 Sensoriamento os avanços nos sistemas microeletromecânicos, sistemas de aquisição, processamento de imagens e de fluidos têm proporcionado novas formas de sensoriamento biológico, químico e genético, além de análises externas ao confinamento de laboratórios. Devido às novas capacidades de diagnóstico não-honerosas, essas tecnologias de sensoriamento prometem revolucionar os cuidados médicos, tanto para solucionar crises de saúde pública por causa de doenças infecciosas e também habilitar a detecção prévia e tratamentos personalizados; Tamanho e Custo a maioria dos sensores médicos tem sido tradicionalmente caros e complexos para uso externo a ambientes de clínica. Entretanto, os recentes avanços em microeletrônica e computação têm possibilitado que várias formas de sensoriamento médico se tornem disponíveis aos indivíduos em suas residências, locais de trabalho e outros locais de convivência. Os primeiros dispositivos a serem disseminados foram os sensores médicos portáteis (e.g., monitores de pressão arterial e de glicose). Pela possibilidade de frequentes medições de dados fisiológicos críticos, sem a necessidade de visitas a um médico, esses instrumentos revolucionaram o gerenciamento de doenças, tais como hipertensão e diabetes. Além disso, os sensores médicos ambulatoriais puderam ser carregados ou acoplados às roupas das pessoas, devido às suas dimensões reduzidas. Esses sensores habilitam os indivíduos a medir continuamente parâmetros fisiológicos, enquanto continuam com suas atividade cotidianas em paralelo. Exemplos incluem o monitoramento de batimentos cardíacos e de atividades físicas. Esses dispositivos são apropriados para esportistas e podem detectar eventos cardíacos ou neurais que poderiam não ser manifestados durante uma visita breve a um médico. Alguns sensores também têm sido embarcados em dispositivos geriátricos e de assistência ortopédica. Há também a proliferação do uso de sensores médicos implantáveis para o monitoramento de saúde intra-corpo. Em alguns casos, a proposta é monitorar continuamente parâmetros de saúde que não estão disponíveis externamente, como a pressão intraocular em pacientes com glaucoma; Conectividade em decorrência dos avanços em tecnologia da informação, os sensores médicos têm se tornado largamente conectados com outros dispositivos. Os sensores médicos antigos eram dispostos isoladamente com interfaces de usuário para apresentar suas medidas. Subsequentemente, os sensores se tornaram capazes de ter interfaces para dispositivos externos via padrões cabeados, tais como RS 232, USB e Ethernet. Recentemente, os sensores médicos têm sido associados a conexões sem fio, seja para curto alcance (e.g., Bluetooth, ZigBee, rádios de campo próximo, smartphones, etc.), ou para longo alcance (e.g., Wi-Fi, ou conexões celulares para comunicar diretamente com serviços de computação em nuvem). Além de não necessitar de demasiada infraestrutura, essas conexões permitem que as medições dos sensores médicos sejam enviadas aos indivíduos assistentes, enquanto os pacientes mantêm suas atividades cotidianas, mesmo que externamente às suas residências. Existem diversos protótipos e produtos disponíveis para o comércio, que possuem propriedades em comum. A maioria das soluções existentes incluem um ou mais tipos de sensores carregados por pacientes, formando uma BAN, e um ou mais tipos de sensores instalados em uma área, que formam uma rede de área pessoal (PAN Personal Area Network). Essas duas redes são conectadas a uma rede backbone por meio de um nó gateway. Ao nível de aplicação, os profissionais de cuidados médicos ou outros assistentes podem monitorar as informações de sinais vitais dos pacientes, por meio de uma interface gráfica de usuário (GUI Graphical User Interface). As situações de emergência produzem sinais de alerta pela aplicação, de modo que esses sinais e outras informações sobre o estado de saúde podem ser acessados por dispositivos móveis, como laptops e smartphones. Esses subsistemas são detalhados a seguir: Rede de Área Corporal (BAN) é a rede de sensores e sinalizadores que os pacientes carregam ou vestem em seus corpos. Etiquetas de identificação por radiofrequência (RFID Radio-Frequency IDentification), sensores de eletrocardiografia (ECG) e acelerômetros carregados ou acoplados às roupas dos pacientes são e- xemplos de componentes da BAN para cuidados médicos; Rede de Área Pessoal (PAN) esse subsistema é composto de sensores de ambiente que cercam os grupos de pacientes. Sensores de ambiente, como leitores de RFID, câmeras de vídeo, sensores de áudio, pressão, temperatura, luminosidade e umidade ajudam a prover informação sobre o contexto dos indivíduos que estão sendo monitorados. A localização e rastreamento de pacientes podem ser funções desse subsistema; Gateway o subsistema gateway é responsável por conectar os subsistemas BANs e PANs ao subsistema de rede de larga abrangência (WAN Wide Area Network). O gateway pode ser um dispositivo móvel carregado pelo usuário, como um smartphone, um nó sensor especial, denominado nó sorvedouro (sink node), ou um computador servidor; Rede de Larga Abrangência (WAN) o gateway pode repassar informações para uma ou mais redes, a depender da aplicação. Exemplos dessas redes incluem redes de satélites, Internet, redes celulares e outras redes telefônicas. Em geral, essas redes possuem características independentes da aplicação de cuidados médicos; Usuário Final a aplicação é a parte de maior destaque do sistema, pois é onde os dados são interpretados e as ações requeridas são indicadas. Em geral, o usuário final possui um sistema de aplicação composto por uma parte de processamento e uma parte de interface gráfica de usuário. A parte de processamento executa algoritmos de processamento de sinais para, por exemplo, identificar

3 REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, VOL. 2, NO. 1, OUTUBRO anomalias de sinais cardíacos, ou por meio de algoritmos de aprendizado de máquina, identificar situações inesperadas a partir de imagens ou vídeos. A interface gráfica de usuário é usada para o monitoramento em temporeal de informações de sinais vitais, em conjunto com mecanismos de alerta, em casos de emergência. III. TECNOLOGIAS E PROTOCOLOS Diversas tecnologias e protocolos têm contribuído para a disseminação de redes de cuidados médicos. As tecnologias de comunicação sem fio merecem destaque por causa das características de mobilidade a adaptabilidade que oferecem. A. Redes Infraestruturadas e Redes Ad Hoc As redes de cuidados médicos, principalmente no subsistema PAN (ou na hierarquização de PANs), podem ser projetadas para atuar de maneira infraestruturada ou de maneira ad hoc. Na arquitetura infraestruturada, normalmente uma distribuição heterogênea é utilizada, de modo que alguns nós da rede são dotados de maior capacidade de hardware e software do que outros. A alocação de recursos precisa ser planejada para atender os requisitos de qualidade de serviço (QoS Quality of Service) da rede. Alguns nós especiais podem ser responsabilizados por funções de maior complexidade, como agregação e processamento de dados, identificação de casos de emergência, sinalização, roteamento e atribuição de chaves de segurança. No projeto de uma rede de cuidados médicos infraestruturada, algumas questões devem ser respondidas: Como deve ser a distribuição de recursos entre os nós da rede? Quais grupos de monitoramento de saúde devem ficar alocados em relação a PANs específicas? Qual a melhor localização das BANs, considerando consumo de energia, taxa de perda de pacote e atraso de relato dos dados monitorados? Quantos nós e onde devem estar localizados para a conexão (relaying) entre PANs? Quantos gateways são previstos e onde devem estar localizados? Na arquitetura ad hoc, a rede de cuidados médicos não possui uma infraestrutura de comunicação previamente projetada, em várias instâncias. O que se observa são características como auto-organização, auto-gerenciamento e, geralmente, comunicação por múltiplos saltos. Malan et al. [6] apresentaram o CodeBlue, que consiste em um sistema para cuidados médicos de emergência, que integram sensores de sinais vitais de baixa potência, PDAs, e computadores de mesa. O CodeBlue melhora a habilidade para os primeiros atendimentos e facilita a alocação de recursos apropriados nos hospitais. Ko et al. [5] propuseram o esquema MEDiSN para atender objetivos semelhantes aos do CodeBlue (i.e., melhorar o processo de monitoramento de pacientes em hospitais e vítimas de desastre, assim como dos agentes de primeiros socorros), mas usaram uma arquitetura de rede diferente. Especificamente, diferente do sistema ad hoc usado no CodeBlue, o MEDiSN utiliza uma infraestrutura de rede sem fio de fácil implementação de pontos de repasse (relay points). Os pontos de repasse são implantados em posições fixas e se comunicam com um ou mais gateways para acesso à Internet. Os motes que coletam os sinais vitais, denotados mitags são associados com os pontos de repasse para enviar suas medições ao gateway. Em relação ao CodeBlue, o MEDiSN apresenta a vantagem de economia de energia nos mitags, pois eles não precisam repassar as informações uns dos outros. Entretanto, a disponibilidade e o custo de implantação dos pontos de repasse, o que caracteriza fortemente a operação infraestruturada, pode ser inviável em uma situação de emergência. Além disso, a falha de operação de um ponto de repasse pode significar o isolamento de comunicação de diversos mitags. B. Redes de Sensores sem Fio Nos últimos anos, o uso de redes de sensores sem fio para o monitoramento remoto de saúde tem sido bastante adotado, como uma alternativa aos sistemas de cuidados médicos centrados em hospitais, seja pela perspectiva econômica, ou do conforto do paciente. A indústria de semicondutores tem uma atuação importante para tornar real as mudanças nos sistemas de cuidados médicos. A aceitação pelo usuários dos sistemas de monitoramento remoto de cuidados médicos depende de seu nível de conforto, entre outros fatores. O nível de conforto se traduz diretamente para o fator forma, que ultimamente tem sido definido pelas dimensões físicas das baterias e o consumo de energia do sistema [7]. As tecnologias de sensoriamento sem fio auxiliam na solução de diversos aspectos negativos relativos a sensores com fio, que são comumente utilizados em hospitais e salas de emergência para monitorar pacientes [8]. Os diversos conjuntos de fios, cabos e conectores associados causam desconforto ao paciente, restringem sua mobilidade, aumentam sua ansiedade e dificultam o gerenciamento pelos profissionais de saúde. Por outro lado, o hardware envolvido com conexões sem fio é menos perceptível e possui conectividade de rede persistente com os sistemas de registro finais. Isso reduz o emaranhado de fios, diminui a ansiedade do paciente e reduz a quantidade de erros [5]. As redes de sensores sem fio (RSSFs) consistem de dispositivos de baixa disponibilidade de energia, que integram capacidades limitadas de computação, sensoriamento e comunicação sem fio. As RSSFs podem apresentar um impacto significativo em vários sistemas de cuidados médicos de emergência. Sensores podem ser usados para capturar sinais vitais de pacientes, repassar os dados para dispositivos eletrônicos portáteis utilizados por técnicos em emergência médica, médicos e enfermeiros. Em um evento de desastre em massa, as redes de sensores podem melhorar a habilidade para os primeiros socorros e o tratamento de pacientes [6]. As RSSFs podem ser utilizadas em vários contextos e os nós podem ser distribuídos de maneiras diferentes. As seções subsequentes apresentam diversas topologias relacionadas à abrangência geográfica e

4 48 REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, VOL. 2, NO. 1, OUTUBRO 2012 tecnologias que podem ser utilizadas por RSSFs em aplicações de cuidados médicos. 1) NFC e RFID: Um dos maiores desafios da Tecnologia da Informação para redes de cuidados médicos é a habilidade de rastrear um grande número de pacientes e materiais. À medida que os telefones celulares são difundidos pelo mundo, o uso da comunicação por campo próximo (NFC Near Field Communication) com telefones celulares emerge como uma solução promissora para esse desafio. A NFC permite a simples troca de dados e conexões sem fio entre dois dispositivos próximos um ao outro, geralmente por curtas distâncias (na ordem de centímetros). Ela envolve um dispositivo iniciador e um dispositivo alvo, de modo que o iniciador gera uma onda de RF que pode alimentar uma etiqueta passiva. A tecnologia NFC é uma extensão da tecnologia RFID e apresenta características de troca de dados mais seguras. A tecnologia RFID permite a identificação automática de itens por meio de etiquetas (tags) que armazenam dados de interesse. Conforme o custo das etiquetas reduz, as aplicações de RFID popularizam. Tais sistemas são usados em pedágios automatizados, identificação de pacientes em hospitais, identificação animal, logística de transporte, manuseio e estocagem de produtos, etc [9]. Chen et al. propuseram um sistema para a segunda geração de RFID e demonstraram quantitativamente o valor de sua aplicação em sistemas de cuidados médicos [10]. Os autores discutem os benefícios que o 2G-RFID-Sys pode prover, como a melhoria escalabilidade do sistema, disponibilidade de informação, monitoramento automatizado e controle de acesso. Adam et al. projetaram e implementaram um sistema baseado em NFC para viabilizar a detecção de pneumonia em crianças no Paquistão, com telefones celulares [11]. O sistema permite que os pacientes sejam identificados por uma única etiqueta RFID associada à criança, quando esta visitar a clínica. Pelo uso de um telefone celular para enviar uma ID do paciente e o diagnóstico para um servidor central, o médico fica habilitado a relatar o estado de pneumonia em tempo real. Se a doença é diagnosticada, uma equipe móvel é alertada para recolher a criança doente com objetivos de avaliações e tratamentos futuros. 2) BAN: Uma das tecnologias de rede utilizadas para a implementação de redes de sensores sem fio são as redes de área corporal. O IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) lançou em 2007 o grupo de tarefa IEEE Task Group 6 (BAN), para desenvolver um padrão de comunicação otimizada para dispositivos de baixo consumo de energia e operar sobre o corpo humano. O objetivo é servir a uma variedade de aplicações que incluem eletrônica médica e de consumidor. Min Chen et al. apresentam um tutorial sobre BANs em [12], em que discutem os principais conceitos, tecnologias, arquiteturas e as características das camadas física e de enlace. Em [13], os autores descrevem uma arquitetura genérica de BAN sem fio e projetos com motes Telos [14] e módulos de condicionamento de sinais específicos para a aplicação. O protótipo consiste de diversos sensores de movimento que monitoram a atividade do usuário e um sensor de ECG para o monitoramento das atividades cardíacas. O artigo apresenta os detalhes das plataformas de hardware e software utilizados para o acompanhamento médico, discute os desafios em aberto e apresenta soluções para sincronização e processamento dos sinais, assim como propõe um protocolo de comunicação eficiente em consumo de energia. O MobiHealth é um projeto que integra vários dispositivos de sensoriamento, para monitorar e transmitir dados fisiológicos em conjunto com gravações de áudio e vídeo aos provedores de serviços de saúde [15]. Esse mecanismo provê assistência remota confiável e rápida, em caso de acidentes. O MobiHealth propõe a convergência de sistemas de rede diferentes, como BANs, PANs e WANs para habilitar redes de cuidados médicos personalizadas e móveis. 3) PAN: Em redes de cuidados médicos, as redes PAN podem ser utilizadas para conectar BANs, que relatam as informações monitoradas pelos sensores e entregam essas medições a redes externas, ou ser a interface direta com esses sensores. As principais tecnologias que são utilizadas para viabilizar o uso de PANs para redes de cuidados médicos são o Bluetooth e o ZigBee. 4) Bluetooth: As comunicações por Bluetooth utilizam ondas de rádio de curto alcance, por distâncias de aproximadamente dez metros. Uma PAN implementada por uma rede Bluetooth também é conhecida com piconet e é composta de no máximo oito dispositivos ativos sobre uma relação mestre-escravo. Em redes de cuidados médicos, o Bluetooth pode ser usado para capturar dados rapidamente e sem fios a partir de dispositivos de sensoriamento, como monitores de pressão sanguínea, termômetros, ECG, etc. Os autores de [16] apresentam um dispositivo sem fio portátil para monitoramento de ECG, em que o paciente precisa carregar consigo um telefone celular com conexão Bluetooth. Quando o monitor ECG detecta um ataque cardíaco, ele emite um sinal de alerta para o telefone celular, que solicita socorro e disponibiliza a localização do paciente. 5) ZigBee: O termo ZigBee designa um conjunto de especificações para a comunicação sem fio entre dispositivos eletrônicos, com ênfase na baixa potência de operação, na baixa taxa de transmissão de dados e no baixo custo de implantação. Protocolos ZigBee são destinados a aplicações embarcadas que exigem baixas taxas de dados e baixo consumo de energia. Apesar de o Bluetooth apresentar maiores taxas de transmissão de dados, o ZigBee apresenta maior eficiência em relação ao consumo de energia. Murali et al. propuseram o uso de redes de sensores sem fio para observar sinais fisiológicos humanos, com a tecnologia ZigBee [17]. Os autores desenvolveram um conjunto de sistemas para o monitoramento de saúde em residências, com o uso de sensores embarcados para monitorar a taxa cardíaca e a pressão arterial. Os sensores transmitem os sinais medidos via ZigBee para um monitor remoto sem fio, de modo a relatar os sinais fisiológicos observados. O monitor remoto sem fio

5 REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, VOL. 2, NO. 1, OUTUBRO é composto de um módulo de comunicação ZigBee e um computador. Se os valores dos sinais medidos ultrapassam os limiares padrões de saúde, o computador envia uma mensagem de texto (por uma rede celular GSM) para uma central remota especializada. 6) UWB: A tecnologia UWB (Ultrawideband) é usada para referenciar comunicações de rádio com uma largura de banda maior do que 500 MHz ou mais que 25% da frequência central do sinal. É uma tecnologia de rede sem fio para redes PAN. Além de ter um espectro de atuação amplo, o UWB transmite por rajadas de sinais. A combinação do modo de transmissão em rajadas com o amplo espalhamento de banda permite que o UWB consuma menos energia e alcance taxas de transmissão mais altas que o padrão Wi-Fi. As redes de cuidados médicos podem ser beneficiadas pela baixa densidade espectral de potência que a transmissão por UWB oferece. A potência do sinal transmitido é baixa o suficiente para ser segura aos seres humanos, mas ainda provê alcance de comunicação e taxa de dados razoáveis. Entretanto, o uso de sinais UWB em BANs sem fio implica no fato de que a transmissão seja feita por uma faixa de frequência que provavelmente já esteja em uso por outros sistemas sem fio. Isso requer que possíveis fontes de interferência sejam identificadas antes do projeto do sistema de monitoramento de saúde. O projeto do receptor UWB deve considerar as outras transmissões nas proximidades do transceptor, de modo a maximizar a razão sinal-ruído (SNR Signal-to-Noise Ratio). Além disso, se ambientes de hospitais forem considerados, em que diversos equipamentos elétricos estão presentes, a interferência por ruído de disparo é uma fonte de interferência para o sinal UWB. Essa interferência afeta o desempenho do receptor em termos do aumento da taxa de erro de bit [18]. 7) Wi-Fi: A tecnologia Wi-Fi é utilizada por produtos certificados que pertencem à classe de dispositivos de rede local sem fios (WLAN) baseados no padrão IEEE As aplicações de monitoramento médico requerem o relato de eventos de emergência, assim como das informações fisiológicas medidas periodicamente. Sob condições críticas, os dados de emergência devem ter seu relato garantido, com um atraso aceitável para o tipo de sinal específico. Para atender a essa necessidade, mecanismos de priorização de relato dos dados de emergência precisam ser desenvolvidos. Benhaddou et al. [19] propuseram um esquema de controle de acesso ao meio para cuidados médicos, que considera um algoritmo de agendamento de serviços sobre o padrão IEEE , para prover a mais alta precedência para o tráfego de emergência médica. Os autores descrevem a arquitetura geral e propõem um esquema de controle de acesso ao meio para redes de sensores de cuidados médicos, que adapta a alocação do canal de acordo com a necessidade da rede. Entretanto, os protocolos de relato de emergência devem também atender às restrições de consumo de energia das redes de sensores [3]. C. Redes de Sensores sem Fio Cognitivas Diversos protocolos disponíveis para telemedicina são baseados no funcionamento de redes de sensores sem fio no espectro não-licenciado. Um problema observado pelas redes que operam nessa parte do espectro é a dificuldade de incrementar a qualidade de serviço. Atualmente, o espectro nãolicenciado tem sido disputado por várias redes. A coexistência de múltiplas redes na mesma faixa espectral impõe desafios, e.g., utilização espectral, segurança e colisões de transmissão, o que configura um problema para sistemas de monitoramento em redes de cuidados médicos, que devem prover tráfego com requisitos de QoS específicos [4]. O acesso espectral dinâmico é uma abordagem de comunicações de utilização espectral eficaz e promissora para redes de sensores sem fio de múltiplos saltos e com restrições de recursos, devido à sua característica de comunicação por ocorrência de eventos. Com o uso de rádios cognitivos o acesso espectral oportunista pode também auxiliar a implementação e manutenção de múltiplas redes de sensores sobrepostas e a eliminar colisões e atrasos excessivos [20]. O acréscimo das potencialidades do rádio cognitivo em redes de sensores sintetiza um novo paradigma, i.e., redes de sensores sem fio cognitivas (RSSFC) [21]. Em [4], os autores estudaram o desempenho do tráfego de aplicações de telemedicina em uma rede de sensores cognitiva. Eles apresentaram uma rede cognitiva infraestruturada para monitoramento médico, em que as estações base cognitivas identificam o espectro disponível e encaminham os dados para as estações de cuidados médicos associadas. Eles também propuseram estratégias para prover o tráfego de monitoramento periódico e de emergência em tempo real. Os resultados mostram que um desempenho satisfatório pode ser alcançado para o tráfego de telemedicina. Entretanto, os autores não consideram o impacto do sistema proposto em outros parâmetros de QoS, como a taxa de perda de pacote. Além disso, a operação baseada em infraestrutura pode ser inviável em redes de emergência, pois elas podem requerer capacidades de funcionamento ad hoc, como auto-organização, operação distribuída e auto-recuperação. Em [22], os autores apresentaram o protocolo LF-Ant Cognitivo, que é inspirado pelo comportamento de formigas e, por meio de uma capacidade cognitiva, elege os nós mais preparados para coordenar a operação de um grupo, em redes de cuidados médicos. O líder e o vice-líder de grupo colaboram para garantir a alocação dinâmica de recursos, de modo que os pacientes que apresentam os maiores graus de emergência devem ser privilegiados. A alocação dinâmica de recursos foi inspirada por experimentos com manipulação das pernas de formigas desérticas. Além disso, a diversidade em modulação cooperativa com sensoriamento espectral foi proposta para atuar de maneira adaptativa e ajudar no combate ao desvanecimento dos canais sem fio. Os resultados de simulação mostraram um decréscimo no tempo de atraso médio necessário para relatar os casos de emergência. Além disso, a taxa de perda de pacote foi também reduzida, princi-

6 50 REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, VOL. 2, NO. 1, OUTUBRO 2012 palmente quando a diversidade em modulação cooperativa foi usada. IV. APLICAÇÕES Algumas aplicações observadas por meio do uso de redes de cuidados médicos são discutidas a seguir [5]: Monitoramento em áreas de desastre apesar de já existirem protocolos de triagem para serviços médicos de emergência, eles podem ter sua eficiência degradada à medida que o número de vítimas aumenta. A crescente portabilidade, escalabilidade e facilidade de implantação dos sistemas de sensoriamento sem fio podem ser usadas para automaticamente relatar os níveis de triagem das vítimas e continuamente rastrear o estado de saúde dos primeiros pacientes atendidos em um cenário de desastre, de maneira mais eficaz; Monitoramento de sinais vitais em hospitais o monitoramento sem fio é mais conveniente para os pacientes, além de aumentar a confiabilidade dos resultados de medição e relato. Além das medições e relato dos sinais vitais dos pacientes, as redes de cuidados médicos também são úteis para a identificação e localização eficaz de médicos e enfermeiros ao longo do hospital; Monitoramento residencial ou agregado às atividades cotidianas à medida que a população envelhece, as capacidades cognitiva, física e psicológica dos idosos variam, o que afeta a qualidade de vida. O monitoramento remoto pode auxiliar no correto diagnóstico e recuperação dos pacientes, principalmente se for realizado da maneira menos intrusiva possível. Medições sem fio na própria residência do paciente, ou em locais de trânsito comuns podem ser enviadas a centros de observação contínua, em que profissionais de saúde especializados devem ficar atentos a alterações e situações de alerta; Monitoramento da dosagem de medicamentos a quantidade correta de medicamento que um paciente deve utilizar em algum tratamento não deve ser desprezada. Entretanto, alterações de memória, desconhecimento ou falta de atenção podem resultar em um excesso ou falta da dosagem correta, o que pode levar a consequências graves de saúde. Por meio das redes de cuidados médicos é possível monitorar e atuar diretamente no controle da dosagem de medicamentos, posologia adequada e observação de reações; Localização de pacientes redes de cuidados médicos distribuídas por uma cidade podem rastrear pacientes em desordens psíquicas, ou com ocorrências de sonambulismo. A conexão entre redes diferentes pode habilitar a utilização de redes de menor porte como redes PAN, em uma comunicação por múltiplos saltos até uma central de monitoramento. Por outro lado, sensores de presença e localização por GPS podem ser acoplados ao corpo do paciente, o que permite um monitoramento em maior escala; V. CONSIDERAÇÕES FINAIS As últimas décadas têm apresentado uma demanda crescente por qualidade e quantidade de serviços de cuidados médicos, devido ao aumento da população idosa, de doenças crônicas e da preocupação das sociedades com a saúde. Os indivíduos têm dedicado uma maior atenção para a prevenção e detecção prévia de riscos. O futuro dos serviços de cuidados médicos terá como vertente a transição de serviços centralizados de saúde, providos em consultórios médicos, clínicas e hospitais, para serviços contínuos de monitoramento ubíquo e pervasivo. A demanda por serviços de saúde pró-ativos e mais completos têm crescido. O monitoramento por longo prazo de sinais biomédicos para possibilitar o diagnóstico prévio de doenças representa um aspecto importante entre as tendências dos serviços de saúde. Além disso, existe a necessidade de diminuir os custos causados pelas mudanças demográficas de sociedades com maiores expectativas de vida. Por meio de serviços de cuidados médicos utilizados nas próprias residências, em que o custo financeiro é menor do que em clínicas e hospitais, a necessidade por investimentos em instalação e manutenção parecem diminuir, ao mesmo em tempo que a qualidade de vida aumenta. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio da UFCG, UPE e CNPq. REFERÊNCIAS [1] H. F. Rashvand, V. T. Salcedo, E. M. Sánchez and D. Iliescu. Ubiquitous Wireless Telemedicine. IET Communications, vol. 2, no. 2, pp , [2] S. G. E. Khouri. Telemedicina: Análise da sua Evolução no Brasil. Dissertação de mestrado, Faculdade de Medicina, Universidade de São Paulo (USP), São Paulo, SP, [3] H. Alemdar and C. Ersoy. Wireless Sensor Networks for Healthcare: A Survey. Computer Networks, vol. 54, pp , October [4] S. Feng, Z. Liang and D. Zhao. Providing Telemedicine Services in an Infrastructure-based Cognitive Radio Network. IEEE Wireless Communications, vol. 17, no. 1, pp , [5] J. Ko, C. Lu, M. B. Srivastava, J. Stankovic, A. Terzis and M. Welsh. Wireless Sensor Networks for Healthcare. Proceedings of the IEEE, vol. 98, no. 11, pp , nov [6] D. Malan, T. Fulford-Jones, M. Welsh and S. Moulton. CodeBlue: An Ad Hoc Sensor Network Infrastructure for Emergency Medical Care. In International Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks, [7] C. Bachmann, M. Ashouei, V. Pop, M. Vidojkovic, H. Groot and B. Gyselinckx. Low-Power Wireless Sensor Nodes for Ubiquitous Long-Term Biomedical Signal Monitoring. IEEE Communications Magazine, vol. 50, pp , [8] J. Ko, J. H. Lim, Y. Chen, R. Musvaloiu-E, A. Terzis, G. M. Masson, T. Gao, W. Destler, L. Selavo and R. P. Dutton. MEDiSN: Medical Emergency Detection in Sensor Networks. ACM Transactions on Embedded Computing Systems (TECS), vol. 10, no. 1, pp. 1 29, August [9] M. Cavalcante and M. P. Sousa. Avaliação de Desempenho de um Protocolo de Segurança para Sistemas RFID. In XXX Simpósio Brasileiro de Telecomunicações (SBrT 12), Centro de Convenções Ulysses Guimarães, Brasília, DF, [10] M. Chen, S. Gonzalez, V. Leung, Q. Zhang and M. Li. A 2G-RFID- Based E-Healthcare System. IEEE Wireless Communications, vol. 17, no. 1, pp , february [11] A. Marcus, G. Davidzon, D. Law, N. Verma, R. Fletcher, A. Khan and L. Sarmenta. Using NFC-Enabled Mobile Phones for Public Health in Developing Countries. In Proceedings of the 2009 First International Workshop on Near Field Communication, NFC 09, pp , Washington, DC, USA, IEEE Computer Society.

7 REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, VOL. 2, NO. 1, OUTUBRO [12] M. Chen, S. Gonzalez, A. Vasilakos, H. Cao and V. C. Leung. Body Area Networks: A Survey. Mobile Networks and Applications, vol. 16, no. 2, pp , [13] A. Milenkovic, C. Otto and E. Jovanov. Wireless Sensor Networks for Personal Health Monitoring: Issues and an implementation. Computer Communications (Special issue: Wireless Sensor Networks: Performance, Reliability, Security, and Beyond), vol. 29, pp , [14] J. Polastre, R. Szewczyk and D. Culler. Telos: Enabling Ultra-Low Power Wireless Research. In Proceedings of the 4th International Symposium on Information Processing in Sensor Networks, IPSN 05, Piscataway, NJ, USA, IEEE Press. [15] D. Konstantas and R. Herzog. Continuous Monitoring of Vital Constants for Mobile Users: the MobiHealth Approach. In Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, volume 4, [16] N. Belgacem and F. Bereksi-Reguig. Bluetooth Portable Device for ECG and Patient Motion Monitoring. Nature and Technology, vol. 04, pp , [17] M. Krishna and P. Priya. Remote Wireless Health Care Monitoring System Using ZigBee. International Journal of Engineering Research and Technology (IJERT), vol. 1, pp. 1 4, [18] M. Hamalainen, A. Taparugssanagorn, R. Tesi and J. Iinatti. Wireless Medical Communications Using UWB. In IEEE International Conference on Ultra-Wideband (ICUWB 09), [19] D. Benhaddou, M. Balakrishnan and X. Yuan. Remote Healthcare Monitoring System Architecture using Sensor Networks. In IEEE Region 5 Conference, pp. 1 6, april [20] M. P. Sousa, R. F. Lopes, W. T. A. Lopes and M. S. Alencar. Redes Cognitivas: Um Novo Paradigma para as Comunicações Sem Fio. In Minicursos do XXVIII Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos, edited by C. A. Kamienski, L. P. Gaspary and M. P. Barcellos, chapter 4, pp Sociedade Brasileira de Computação, Porto Alegre, RS, [21] O. Akan, O. Karli and O. Ergul. Cognitive Radio Sensor Networks. IEEE Network, vol. 23, no. 4, pp , [22] M. Sousa, W. Lopes, F. Madeiro and M. Alencar. Cognitive LF-Ant: A Novel Protocol for Healthcare Wireless Sensor Networks. Sensors, vol. 12, no. 8, pp , 2012.