Ambiente Colaborativo Aplicado à Medicina em Câncer Infantil

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1 Ambiente Colaborativo Aplicado à Medicina em Câncer Infantil André L. M. da Rosa, Adilson Y. Hira, Thiago T. Lopes, Marcelo Knörich Zuffo Laboratório de Sistemas Integráveis Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos Escola Politécnica Universidade de São Paulo, Brasil. Resumo Atualmente é possível observar uma má distribuição dos serviços de saúde no Brasil, com uma alta concentração de serviços médicos de qualidade nos grandes centros urbanos e carência em regiões remotas, ocasionando a migração de pacientes das áreas mais afastadas em busca de serviços médicos mais especializados. Esta migração causa a superlotação de hospitais de referência, principalmente da região centro-sul do país. Assim, uma ferramenta que possibilite a troca de informações entre profissionais de saúde poderá oferecer serviços médicos à distância, o que minimizaria o deslocamento de pacientes. Deste modo, o objetivo deste projeto é criar uma ferramenta que permita que profissionais de saúde possam visualizar e discutir (de forma colaborativa através da Internet) imagens médicas digitalizadas, além de permitir interações através de texto (Chat). Esta ferramenta permitirá a obtenção de diagnósticos muito mais eficientes através da troca de informações e conhecimentos entre os profissionais, consistindo numa solução importante para a segunda opinião médica, diagnósticos colaborativos e capacitação de novos profissionais na saúde. Palavras-chave: Ambiente Colaborativo, Telemedicina, Câncer Infantil. Abstract Currently it is possible to observe a bad distribution of the services of health in Brazil, with a high concentration of quality medical services in the great urban centers and lack in remote regions, causing the migration of patients of the areas more moved away in search from more specialized medical services. This migration cause the overcrowded of reference hospitals, mainly of the region center-south of the country. Thus, a tool that makes possible the exchange of information between health professionals will be able to offer medical services at distance, what it would minimize the displacement of patients. In this way, the objective of this project is to create a tool that allows that professional of health can visualize and argue (of collaborative form through the Internet) digitalized medical images, besides allowing interactions through text (Chat). This tool will allow to attainment much more efficient diagnosis through the exchange of information and knowledge between the professionals, consisting of an important solution for the second medical opinion, collaborative diagnosis and qualification of new professionals in the health. Key-words: Collaborative Environment, Telemedicine, Children s Oncology. Introdução Atualmente, o câncer pediátrico constitui a segunda causa de mortalidade entre a população na faixa etária de 2 a 16 anos, em várias regiões do Brasil. Entretanto, nos hospitais de referência em câncer Infantil no Brasil, com o diagnóstico correto e o uso de tratamento adequado, as chances de cura podem atingir 70% [1]. No Brasil, particularmente, há uma distribuição heterogênea dos serviços de saúde, verificando-se alta concentração de serviços médicos de qualidade nos grandes centros urbanos. A carência somada a heterogeneidade dos protocolos médicos levam a utilização de condutas que nem sempre são as mais eficazes, tanto no diagnóstico como no tratamento. A telemedicina apresenta-se como uma opção para melhorar o acesso aos serviços médicos e a disseminação do conhecimento dos centros de referência médica, por meio eletrônico, às instituições de saúde em regiões desprovidas de serviços especializados. A Telemedicina é definida como armazenamento, transmissão e/ou manipulação de informações à distância, através de meio eletrônico, para suporte e auxílio à prática médica e aos serviços de saúde. A Telemedicina encontra-se na interseção das áreas de Telecomunicações, Tecnologia da Informação e Medicina [2]. A ferramenta deste trabalho está disponível no projeto ONCOPEDIATRIA 1 de telemedicina, desenvolvido no Laboratório de Sistemas Integráveis da USP, sendo um serviço disponível pelo sistema. O ONCOPEDIATRIA é um SIS, que tem por objetivo geral propiciar o atendimento às crianças portadoras de câncer pediátrico, homogeneizando o tratamento com protocolos avançados (com melhores índices de cura) e registrando pacientes em escala nacional, através 1

2 de técnicas modernas de telemedicina. O sistema do SIS do ONCOPEDIATRIA é baseada em componentes distribuídos e em uma plataforma denominada Conglomerado Médico ( cluster médico ). Neste contexto ainda se encaixa o sistema ONCONET, que tem por objetivo o estabelecimento de uma rede piloto de Telesaúde em oncologia pediátrica, disponibilizando serviços a hospitais associados a SOBOPE (Sociedade Brasileira de Oncologia Pediátrica) em banda larga, incorporando tecnologias avançadas de informação para o suporte desta prática médica à distância. O transporte de pacientes ocasiona gastos desnecessários e superlotação nos hospitais de referência conseqüentemente, a degradação na qualidade de atendimento dos mesmos. Ferramentas que possibilitem a troca de informações entre profissionais pode agilizar o processo de tratamento de pacientes e ao mesmo tempo ser uma forma viável de economia e melhoria da qualidade de serviços prestados. Portanto, o principal objetivo deste projeto é permitir que profissionais de saúde localizados remotamente possam visualizar e discutir, de forma colaborativa através da Internet, imagens médicas digitalizadas (tais como Radiografias e Tomografias Computadorizadas), além de permitir a conversação através de texto entre os participantes da reunião. Assim eles poderão obter diagnósticos muito mais eficientes e precisos, além de permitir a troca de informações e a obtenção de novos conhecimentos tornandose assim um auxílio no aprimoramento profissional. Este trabalho abordará ferramentas de colaboração, que possibilitem a interação entre profissionais de saúde, como diagnóstico à distância, segunda opinião médica e capacitação de profissionais médicos remotamente. Metodologia O projeto enfoca Trabalhos Colaborativos Auxiliados por Computador (CSCW Computer Supported Collaborative Work) aplicados à área da Medicina em Câncer Infantil, através do uso da Telemedicina. Para tal objetivo foi construída uma arquitetura para permitir tais trabalhos colaborativos, para uma arquitetura funcional em um CSCW é necessário a definição de um protocolo de comunicação, software de lógica e software de interface com o usuário interconectados pelo protocolo e uma base de dados. Para desenvolver o projeto foi especificado um protocolo de comunicação que permite implementar um software colaborativo, este protocolo está desenvolvido de tal forma que seja possível a criação de diversas conferências, em um mesmo momento, entre diferentes participantes localizados em diferentes regiões geográficas, o que vem a ser muito eficaz nas regiões mais distantes dos centros urbanos, onde a dificuldade de comunicação e obtenção de novas informações e recursos se torna muito mais problemática. Foi necessário o emprego de técnicas computacionais (tais como Processamento Digital de Imagens, Sistemas Distribuídos e Multimídia) que permitem a criação de um sistema completamente transparente ao usuário final, fazendo com que ele tenha uma visão única do sistema como um todo. Diagnósticos médicos em doenças críticas e pesquisas científicas são raramente executas por uma só pessoa. Estas características proporcionam os chamados Sistemas de Visualização Colaborativa Auxiliada por Computador, ou CSCV (Computer Supported Collaborative Visualization). Segundo [3], nesta categoria de sistemas os usuários colaboradores remotos podem analisar simultaneamente o mesmo conjunto de dados científicos. Portanto, o software em desenvolvimento faz uso dos diversos dados provenientes de um Banco de Dados com exames de imagens médicos em padrão DICOM (Digital Imaging Communication in Medicine), JPEG ou BMP. Assim, os médicos especialistas participantes das reuniões colaborativas podem conversar via modo texto e/ou modo vídeoconferência e visualizar e/ou manipular imagens de exames médicos de seus respectivos pacientes, contidas no banco de dados, através de um Ambiente Colaborativo (AC) presente em cada seção. Os médicos também poderão, dentre outras opções do AC, extrair e inserir informações geométricas e textuais que julguem ser importantes para a discussão do diagnóstico na própria imagem compartilhada (anotações estas feitas utilizando-se diferentes cores, diferenciando assim cada participante da seção por camadas). Arquitetura A arquitetura foi baseada no modelo cliente servidor estruturada em componentes com acesso remoto. Para a implementação, estão sendo desenvolvidos dois softwares: o Servidor, que é o responsável pelo controle de todas as reuniões existentes, e o Cliente, que é executado nas máquinas remotas de cada usuário especialista participante de uma reunião. Estes dois interconectados por um protocolo colaborativo de comunicação. Protocolo de Comunicação A implementação do protocolo de comunicação utiliza a linguagem de programação Java que é gratuita, independente plataforma e arquitetura, orientada a objetos e possui

3 poderosos recursos de comunicação via rede de computadores. Com isso, o software também poderá ser executado em Sistemas Operacionais gratuitos e de código aberto (como o Linux), fazendo com que seu custo de implantação seja reduzido e se torne pertinente às regiões mais carentes de recursos financeiros. Numa implementação inicial para permitir a colaboração entre os usuários e validação de um protótipo, está sendo utilizada a tecnologia Java RMI (Remote Method Invocation), que é um modelo de comunicação em Java que permite o desenvolvimento de aplicações em sistemas distribuídos, criando objetos que podem ser executados remotamente. Portanto, todas as funções compartilhadas pelo sistema estão disponíveis na aplicação servidora e são acessadas pelos clientes remotos a partir de seus softwares clientes. Para simplificar a especificação e implementação do protocolo e, ao mesmo tempo, facilitar o controle e administração, está sendo utilizada uma topologia Centralizada (onde os usuários compartilham exatamente a mesma cópia dos dados, que ficam localizados na aplicação servidora), pois é mais facilmente gerenciável. A Figura 1 mostra a arquitetura do sistema, onde se pode observar o acesso dos usuários ao servidor da aplicação, através da Internet, e a ligação do servidor com o banco de dados. Desta forma, o acesso ao banco ocorre de forma transparente ao usuário. TCP/IP, sendo considerado pertencente à sua Camada de Aplicação. O protocolo colaborativo necessita permitir que diferentes reuniões ocorram ao mesmo tempo e que um usuário possa participar de mais de uma reunião no mesmo momento. Isso pode ser obtido utilizando Seções (que podem ser consideradas abstrações lógicas que diferenciam as várias reuniões ocorrendo no mesmo instante) completamente independentes umas das outras, que poderão ter diferentes usuários e dados colaborativos. Portanto, o protocolo deve utilizar fluxos de mensagens entre os clientes e o servidor, e vice-versa, para executar a troca de informações de controle que são armazenadas em um objeto de uma Classe de Controle de Acesso (CCA) por seção criada, permitindo assim que diferentes seções síncronas multiusuário possam ser executadas corretamente e concorrentemente. O acesso a estas classes deve ser protegido contra acessos simultâneos de vários usuários, garantindo assim a sua consistência. A CCA também deve conter todas as funções necessárias para armazenar e controlar sua respectiva seção. Portanto, ao receber uma mensagem de Criação de Seção, por exemplo, o servidor deve criar um novo objeto do tipo CCA (sendo este considerado uma nova seção), que automaticamente conterá todos os métodos de controle da nova seção criada. Entretanto, para o controle de todas as seções em atual execução no sistema, esta nova seção deve também ser referenciada em um objeto de uma outra classe (único no sistema), a Classe de Controle de Seções (CCS), permanecendo lá até a sua exclusão. Sendo assim, a CCS conterá várias CCA s (tanto quanto as seções existentes no momento). A Figura 2, a seguir, ilustra o Diagrama de Classes do Protocolo: Figura 1 Arquitetura do Sistema. Uma maior interação entre os usuários pode ser adquirida utilizando-se uma combinação de um sistema síncrono e em tempo real. Este tipo de sistema também necessita fornecer repostas rápidas, ou seja, uma rápida troca de mensagens de controle pelo protocolo (para que o senso de continuidade da simulação não seja perdido por motivo de interrupções); além de confiáveis. Estas características podem ser referenciadas como exigências da Qualidade de Serviço (QoS - Quality of Service) da aplicação. O protocolo criado utiliza como base o protocolo Figura 2 Diagrama de Classes do Protocolo. A CCS e as CCA deverão estar inteiramente localizadas no servidor (para evitar inconsistências). Entretanto, cada usuário deve manter uma cópia local da CCA da seção na qual está inserido servindo como base para a construção de sua visualização do AC. Assim, as CCA s da CCS, quando alteradas, deverão notificar automaticamente seus usuários para que possam atualizar suas respectivas CCA s locais e, assim, construir suas respectivas visualizações. Portanto, a CCA deve conter uma lista de todos os usuários da sua seção para o devido controle - uma Tabela de Usuários - e

4 deve conter todos os métodos de acesso ao banco de dados para poder retirar todas as informações necessárias sobre os usuários, seus respectivos pacientes e suas documentações médicas. Para que vários usuários compartilhem o estado atual da colaboração, ou seja, a configuração da respectiva CCA no servidor, eles devem atualizar seus estados locais sempre que o estado da CCA do servidor for modificado (ou seja, recebeu uma atualização). Esta atualização é feita através de trocas de Mensagens de Controle entre o servidor e os clientes, que ocorrem muito freqüentemente para garantir que o estado atual da CCA seja corretamente sincronizado. Além disso, como o tráfego de um sistema síncrono é muito grande, o tráfego na rede deve ser o menor possível para evitar congestionamentos e, conseqüentemente, perda de informações. Entretanto, isto requer redes de alta velocidade com baixas latências, que é contrastado com um investimento de alto custo. Uma solução é fazer com que o protocolo envie somente atualizações do sistema para os usuários (como anotações feitas nas imagens do AC), e não constantemente o estado atual do sistema como um todo. As requisições de atualização criadas pelos usuários deverão ser enviadas primeiramente ao servidor, que as processará e enviará mensagens de notificação de atualização a todos os usuários da respectiva seção (caso a requisição seja aceita) ou retornará uma mensagem de erro ao usuário requisitante (pois a requisição não pôde ser processada pelo servidor, como no caso do controle de concorrência). Seguindo estes princípios, as Mensagens de Controle implementadas podem ser divididas em vários tipos, como os mostrados a seguir: i. Mensagem de Seção: Permite a criação ou exclusão de seções no servidor; ii. Mensagem de Log: Permite a requisição da entrada ou saída de um usuário a uma seção existente; iii. Mensagem de Atualização: Permite a atualização das propriedades do AC; iv. Mensagem de Notificação: Permite informar todos os usuários de uma determinada seção sobre atualizações do AC; v. Mensagem de Texto: Permite a conversação no modo texto entre os participantes de uma seção. Servidor Com a especificação do protocolo de controle colaborativo como base do sistema, foi possível iniciar sua implementação. Partindo da implementação da aplicação servidora, que concentra todo o gerenciamento do sistema, foram implementadas as classes de controle CCS e CCA, assim como as funções compartilhadas que os clientes acessam remotamente e transparentemente (utilizando a tecnologia RMI), dentre as quais estão implementados os métodos de cada uma das mensagens de controle especificadas anteriormente. O servidor faz todo o devido acesso ao banco de dados e, para fins de documentação, salva todas as atualizações das seções na forma de um log no próprio banco. O protocolo de controle colaborativo e suas respectivas mensagens de controle, responsáveis pelo gerenciamento e atualizações de todas das seções existentes, devem ser implementados na aplicação servidora para serem o mais robusto possível e assim garantir a eficiência do sistema e evitar perdas de sincronização das respectivas atualizações das seções. Portanto, a aplicação servidora desenvolvida utiliza métodos de sincronização e controle de concorrência para garantir o bom andamento da colaboração e o correto acesso aos dados compartilhados, respectivamente. O desempenho do protocolo de comunicação especificado é diretamente proporcional à capacidade de processamento do Servidor da aplicação colaborativa, ao número de usuários e Seções que o mesmo é responsável por gerenciar e à largura de banda disponível para o tráfego das mensagens de controle do sistema. Além disso, para um maior controle da seção colaborativa, é designado um usuário administrador da seção (sendo um usuário automaticamente designado assim que este cria uma nova seção), que ficará responsável pelo controle e andamento da colaboração tendo disponíveis opções de gerenciamento da mesma. Cliente Na aplicação cliente, foi implementado o AC (para visualização e manipulação dos dados compartilhados do sistema) e o módulo de conversação via texto entre os participantes da seção. O AC contém as seguintes opções de operações que podem ser efetuadas sobre a imagem colaborativa: i. Pincel: Faz marcações á mão livre, com controle de espessura do traço; ii. Borracha: Apaga qualquer marcação, também sendo efetuada à mão livre e com controle de espessura do traço; iii. Retângulo: Desenha retângulos ou quadrados, com controle de espessura do traço; iv. Oval: Desenha ovais ou círculos, com controle de espessura do traço; v. Reta: Desenha retas entre quaisquer dois pontos da imagem, com controle de espessura do traço;

5 vi. Texto: Escreve um texto em uma posição selecionada pelo usuário, com controle de tamanho da fonte; vii. Mover: Efetua a movimentação de translação da imagem, controlada pelo usuário, para sua melhor visualização; viii. Zoom: Permite a aplicação de Zoom em uma área selecionada pelo usuário; ix. Distância: Calcula a distância entre quaisquer dois pontos da imagem selecionados pelo usuário; x. Ângulo: Faz o cálculo de ângulos entre duas retas selecionadas pelo usuário; xi. Brilho e Contraste: Controla o brilho e o contraste da imagem colaborativa. Ao se efetuar uma operação colaborativa qualquer, a aplicação cliente gera uma Mensagem de Atualização que é enviada ao Servidor. Após isto, o Servidor atualiza a respectiva CCA e envia uma Mensagem de Notificação a todos os usuários da respectiva seção informando sobre a modificação ocorrida no AC. Deste modo, cada usuário faz uma cópia da modificação ocorrida na CCA do Servidor para a sua CCA local e, assim, atualiza sua visualização do AC. dados de médicos, de pacientes e seus registros e dados no formato DICOM é usado como a Base de Dados do sistema. Segundo [3], são feitos grandes esforços pelos profissionais de saúde para a padronização de imagens médicas, pois o mesmo possibilita o intercâmbio de imagens entre diferentes equipamentos e ambientes, sendo que este Banco de Dados facilita o trabalho por padronizar todos dados utilizados no sistema. Assim o servidor precisar acessar a base de dados já estruturada e disponibilizar as informações aos clientes. Resultados Os resultados obtidos do protótipo desenvolvido são preliminares, mas bastantes satisfatórios. O sistema atualmente está sendo testado e avaliado por médicos da SOBOPE (Sociedade Brasileira de Oncologia Pediátrica). Foi feita uma validação do modelo do protocolo de comunicação proposto, ficando demonstrado que sua dinâmica de funcionamento pode contribuir para a execução de Trabalhos Colaborativos Auxiliados por Computador. Melhores resultados poderão ser obtidos com o uso e avaliação contínua do sistema. Discussão e Conclusões Figura 3 Aplicação Colaborativa Cliente. O módulo de conversação via texto permite, além da própria conversação entre os usuários, a visualização de mensagens de texto do servidor (úteis para a verificação de algumas atualizações de sua respectiva seção como a entrada ou saída de algum usuário). Na Figura 3 mostra uma tela da aplicação cliente implementada, onde é possível visualizar o AC, com dois médicos participantes efetuando marcações com as cores verde e vermelha respectivamente, e a área de conversação via texto. Banco de Dados O Banco de Dados do sistema ONCOPEDIATRIA do LSI já contém atualmente Pretende-se com este projeto auxiliar a execução de diagnósticos médicos, e possivelmente o ensino à distância, criando uma alternativa de comunicação eficiente e produtiva para permitir assim a utilização de recursos de telemedicina, como a segunda opinião médica, como forma de auxílio a profissionais de saúde afastados dos centros urbanos e a sua renovação de conhecimentos. Conseqüentemente, este auxílio se refletirá a toda a população, pois evitará gastos públicos não necessários como o transporte de pacientes aos centros detentores de maiores conhecimentos científicos por conterem, em seu quadro, médicos mais especializados e capacitados. Como projetos futuros, pretende-se utilizar além do modo texto e do AC, um módulo de vídeo-conferência onde utilizará imagens e sons para permitir uma melhor comunicação entre os participantes do grupo colaborativo - capturados respectivamente através de webcams e microfones. Assim, o usuário poderá escolher se quer ou não participar da vídeo-conferência a qualquer momento durante a colaboração. Esse sistema será implementado com a tecnologia JMF (Java Media Framework), uma extensão da tecnologia Java com a qual se utiliza o protocolo RTP (Real Time Transport Protocol Protocolo de Transporte em Tempo Real) para o fluxo de transmissão de áudio e vídeo em tempo real. Como o fluxo de dados de áudio e vídeo de um sistema de vídeo-conferência é muito grande,

6 pretende-se utilizar um servidor auxiliar de vídeoconferência para retransmitir os dados recebidos de um usuário (transmissor) a todos os demais usuários da seção (receptores) que optarem por participar desta opção de comunicação. Assim, a aplicação servidora ficará livre da sobrecarga da administração das seções colaborativas existentes e ainda o recebimento e retransmissão de todo o fluxo de dados de vídeo-conferência necessários. Deste modo, o emissor deverá enviar os dados ao servidor auxiliar de vídeo-conferência e este será responsável por retransmitir o fluxo aos seus receptores (sendo este processo administrado e controlado pela aplicação servidora). Segundo [4], este servidor auxiliar deve possuir largura de banda suficiente para receber todos os fluxos de dados dos usuários transmissores e retransmitir simultaneamente para os demais usuários receptores; sendo que este pré-requisito poderá acarretar uma limitação na quantidade de participantes das seções. Como a aplicação desenvolvida é uma aplicação independente baseada em componentes de software pretende-se, por fim, integrá-la ao sistema ONCOPEDIATRIA. Deste modo, a aplicação funcionará como um novo serviço dentre os já prestados pelo sistema e ao mesmo tempo facilitará o acesso dos usuários à aplicação colaborativa. Como o sistema ONCOPEDIATRIA utiliza a tecnologia J2EE (Java 2 Platform, Enterprise Edition) para prover seus serviços como o acesso ao Banco de Dados, a aplicação desenvolvida deverá ser integrada à arquitetura de componentes EJB. Nesta integração, para o lado cliente, existem duas possibilidades: a execução da aplicação utilizando as tecnologias Java Applet ou Java Web Start. Os Applets, segundo [5], são aplicações Java que rodam em um navegador WEB, mas oferecem a desvantagem de serem restritos ao seu ambiente de execução, ou seja, o próprio navegador. Isto significa que os Applets são restritos, por razões de segurança, a um ambiente de Caixa de Areia, na qual o restringe a executar algumas operações como a comunicação com outras máquinas e o acesso ao disco local, ambos requisitos de aplicações distribuídas em rede. Já a tecnologia Java Web Start supera estas restrições de conectividade, e oferece uma boa distribuição de softwares no lado cliente. Segundo [5], algumas de suas vantagens são: i. Cache: as aplicações são baixadas e instaladas como em uma instalação nativa; ii. Manutenção: Se a aplicação remota é modificada, é feita uma atualização automática da versão da Cache local na próxima invocação da aplicação; iii. Fácil Execução: permite que as aplicações sejam executadas independente do navegador (permitindo uma liberdade de comunicação). O Java Web Start também permite a execução da aplicação através de atalhos da área de trabalho, similares a uma instalação nativa. Portanto, a partir deste estado pretende-se utilizar a viabilidade da tecnologia Java Web Start, pelas vantagens mencionadas anteriormente, para uma melhor integração da aplicação ao sistema de Oncopediatria do LSI- USP. Referências [1] Rodrigues, K. E., Camargo B., "Diagnóstico Precoce do Câncer Infantil: Responsabilidade de Todos", Revista Associação Médica Brasileira, 49(1); 29-34, [2] Shimada, A. S., (2001), Um Ambiente Colaborativo de Auxílio ao Diagnóstico Médico Assistido por Computadores de Alto Desempenho. Dissertação de Mestrado, EPUSP. [3] Freitas, C., Uma Arquitetura Baseada em Padrões Abertos para Visualização Científica Via Internet Aplicada à Medicina. Dissertação apresentada como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Informática, Curso de Pós-Graduação em Informática, Setor de Ciências Exatas, Universidade Federal do Paraná [4] Bordignon, M. R., Vídeo-Conferência: Conceitos, Tecnologia e Uso Editora Book Express. [5] Srinivas, R. N., Java Web Start Rescue Find out how Java Web Start aids client-side deployment, Java World. Disponível na Internet em 05 de Julho de 2004 no endereço: Contato Laboratório de Sistemas Integráveis da Escola Politécnica da USP LSI-EPUSP Av. Prof. Luciano Gualberto, 158 Trav. 3 Butantã, CEP: São Paulo SP Brasil Tel: / Fax: [amiranda, ayhira, tognoli, mkzuffo]@lsi.usp.br