Wireless Sensor Networks application on remote Healthcare Monitoring

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1 Wireless Sensor Networks application on remote Healthcare Monitoring Raffael C. Lima 1, Claudio H. F. Silva 1, Carlos A. P. Pereira 1, Elcio R. Aranha 1 1 Departamento de Automação Industrial Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP) Cubatão, SP - Brasil raffael.lima@icloud.com, claudiohfs3004@gmail.com, cporto@ifsp.edu.br, aranha@ifsp.edu.br Abstract. Health care pushes major advances in technology improving devices generally. Between many systems created we have the vital signs monitoring applied on hospitals, clinics and residences. Although its application success this devices have limitations for its users (lack of mobility for the user, little processing of the collected data and absence of platforms for remote data access). This article introduces a solution for the problems mentioned above through use of Wireless Sensor Networks (WSN) together with a vital signs measurer and a supervisory system. Main objectives of this article s prototype are collect, process, send, receive and provide the data referred to vital signs on a platform improving care and monitoring of patients. Resumo. O cuidado com a saúde impulsiona grandes avanços em tecnologia aperfeiçoando equipamentos de modo geral. Entre os diversos equipamentos desenvolvidos temos os de monitoramento de sinais vitais usados em hospitais, clínicas e em residências. Apesar do sucesso de aplicação os aparelhos de monitoramento apresentam limitações aos usuários (redução da mobilidade do usuário, pouco processamento remoto dos dados obtidos e ausência de plataformas para o acesso dos dados). Este trabalho apresenta proposta para minimizar os problemas apresentados por meio da aplicação de conceitos de Rede de Sensores Sem Fio (RSSF) em conjunto com um medidor de sinais vitais e um sistema supervisório. Os objetivos principais para o protótipo apresentado nesse trabalho é recolher, processar, transmitir, receber e disponibilizar os dados referentes aos sinais do usuário em uma plataforma aperfeiçoando o cuidado e o monitoramento de pacientes. 1. Introdução A saúde é um dos pilares de nossa sociedade sendo estabelecida pela Organização Mundial de Saúde, World Health Organization (2003) como um estado de completo bem estar físico, mental e social, e não apenas a ausência de doenças ou enfermidades. Essa preocupação com a saúde levou ao desenvolvimento de sistemas capazes de monitorar os sinais vitais de seus usuários, suas aplicações se estendem de clínicas e hospitais até residências. Entretanto estes sistemas apresentam algumas limitações como falta de mobilidade, por serem estacionários e necessitarem de cabos de conexão com servidores, ausência de plataformas de acesso para os usuários (pacientes e médicos), e pouco ou até nenhum processamento posterior dos dados no caso de medidores portáteis presentes em residências. Segundo Schmidt et al (2015) mortes hospitalares evitáveis são frequentemente atribuídas ao monitoramento inadequado dos sinais vitais dos pacientes, os processos envolvidos como coleta de dados, integração com sistemas de processamento,

2 interpretação e análise, assim como entrega dos dados para apoio a decisões estão sujeitos a falhas e erros em potencial. Segundo Luo et al. (2009), na área de monitoramento remoto da saúde existem diversos trabalhos que alcançaram ótimos resultados, entretanto estes permanecem em fase de protótipo, distantes de aplicações reais e práticas devido a restrições como, por exemplo, alto custo de dispositivos coletores de dados sobre os usuários e transmissores sem fio, falta de automação no armazenamento, análise e processamento de dados tornando estes processos dependentes de interação humana e sujeitos a falhas A solução para as limitações dos cabos e o processamento remoto dos dados pode ser obtida através do uso das Redes de Sensores Sem Fio (RSSF), enquanto o acesso aos dados é feito através de um sistema supervisório com plataforma Web. 2. Desenvolvimento Devido a gama de conceitos e estudos utilizados, o desenvolvimento do sistema e protótipo apresentados neste artigo foi dividido em três etapas, sendo a primeira etapa denominada coleta de dados (dos sinais vitais) e processamento remoto através do medidor de sinais vitais e uma interface de processamento, seguida da etapa de transmissão e recepção dos dados via rede sem fio, e por fim o acesso dos dados coletados através de um sistema supervisório Coleta de dados e processamento remoto Os sinais vitais escolhidos abordados nesse projeto são frequência cardíaca e pressão arterial, devido a sua variedade de aplicações na área de saúde e abundância de medidores disponíveis. Os medidores digitais de pulso foram selecionados visando à portabilidade (dimensões reduzidas e baterias como fonte de alimentação) e compatibilidade com as interfaces e módulos do sistema. Testes foram realizados com o medidor HEM-700C do fabricante VIVA, cedido pelo professor Ataliba Capasso Moraes, apresentado na Figura 1 abaixo: Figura 1. Medidor de frequência cardíaca e pressão arterial da VIVA aberto O objetivo era avaliar alternativas para extração de dados do medidor, a primeira hipótese consistia em coletar através do microprocessador do aparelho, porém esta extração mostrou-se complexa devido a medição oscilométrica aplicada por estes aparelhos. Em função destes limitantes a memória interna do medidor foi selecionada como alternativa mais viável.

3 Na escolha final do medidor, mais características foram avaliadas, por exemplo, confiabilidade do aparelho acertada pelo Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (INMETRO), memória interna compatível e baixo custo. Uma interface capaz de extrair e armazenar os dados do medidor, e posteriormente disponibiliza-los a um módulo de comunicação sem fio, foi desenvolvida através da placa eletrônica de código aberto Arduino Pro Mini. O medidor Z-46 da fabricante TechLine e a interface citada são apresentados na Figura 2 a seguir: Figura 2. Medidor de sinais vitais acoplado a interface de extração e armazenamento de dados 2.2. Transmissão e recepção de dados A comunicação sem fio entre a interface de medição e o servidor que carrega o sistema supervisório é feita através de módulos XBee Pro S2 para transmissão e recepção de dados sem fio, estes módulos utilizam o padrão de comunicação ZigBee. O ZigBee segue a norma IEEE homologada em maio de 2003, sendo suas principais características, baixa taxa de transmissão, expansão da rede através de múltiplas topologias aplicadas, simplicidade de instalação e baixo consumo de energia (WATTAHAWISUTH ET AL, 2009). O módulo transmissor de dados está acoplado ao medidor de sinais vitais por meio da interface anteriormente apresentada na Figura 2, enquanto o módulo receptor de dados está conectado a uma placa Arduino Uno compondo a interface receptora apresentada na Figura 3 abaixo: Figura 3. Interface para recepção de dados As informações recebidas são interpretadas pelo Arduino que as converte em pacotes de comunicação compatíveis com o protocolo Modbus, usado pelo sistema supervisório, os pacotes são então enviados ao sistema através de uma porta serial no computador servidor.

4 2.3. Sistema supervisório Para a visualização e monitoramento das condições do usuário foi desenvolvido um sistema supervisório que apresente os dados recolhidos pelo medidor de forma simples e coesa, além de oferecer uma interface configurável e personalizável de acordo com o perfil de cada usuário, e um banco de dados com todos os valores referentes às medições anteriores junto a históricos de alertas onde são destacados os valores acima dos padrões predeterminados. Como ampliação a esse sistema é proposto um sistema de acesso remoto online, onde será possível armazenar e acessar os dados recolhidos através de outros computadores além do servidor e até mesmo em dispositivos móveis. A Figura 4 apresenta o sistema supervisório desenvolvido no software InduSoft Web Studio. Figura 4. Tela principal do sistema supervisório Para um monitoramento e gerenciamento mais eficiente dos dados recolhidos nesse trabalho foi desenvolvido um sistema supervisório contendo as seguintes telas: Tela de acesso, onde o usuário insere seu nome e senha previamente cadastrados; Tela de configuração, nela é possível alterar o perfil do usuário, inserindo sua idade, peso e tipo de variação de pressão arterial, por exemplo, hipertenso ou normal, insere-se também observações sobre o paciente; Tela principal possui gráficos onde são apresentados em tempo real os sinais vitais do paciente, barra de alarmes onde se monitora anomalias e variações fora dos padrões, há também atalhos para outras telas; Tela de banco de dados, onde as variáveis e alarmes são salvos em tabelas permitindo busca e análise a erros, irregularidades e outros pontos de interesse. No que diz respeito a perda de informações, quando o usuário está fora do alcance da rede impossibilitando a transmissão dos dados, o supervisório não é interrompido. O sistema mantém a apresentação dos dados indicando que estes estão desatualizados (informa que não houve leitura). Durante a ausência de comunicação entre a base e o medidor, a interface do medidor, armazena os dados do período (dados não transmitidos) e assim que a comunicação é reestabelecida a transmissão do histórico é transmitida ao supervisório. Durante o período da perda de comunicação o medidor

5 emitirá um alarme sonoro ( bip simples a cada 30 minutos) para alertar o usuário da falha de comunicação. Um segundo nível de alarme deverá ser implementado identificando que os sinais vitais excederam os limites pré-definidos. 3. Conclusão e Discussão de Resultados A extração dos sinais vitais, integrada com sistemas de transmissão e recepção sem fio, assim como interpretação e análise dos mesmos foram obtidas com sucesso, alcançando os objetivos esperados no início desse artigo. O sistema proposto promove uma melhora na qualidade de vida de seus usuários, assim como benefícios à indústria médica ou qualquer setor que tire proveito do monitoramento remoto de seus usuários, por exemplo, assistência a pacientes debilitados, prevenção de acidentes, auxílio no tratamento e prevenção de enfermidades. O uso das RSSF em conjunto com dispositivos microprocessados e um sistema supervisório traz consigo diversas vantagens entre elas o baixo custo, grande facilidade de instalação, flexibilidade e versatilidade de seus dispositivos. O protótipo pode ser classificado como acessível devido ao seu custo relativamente baixo, comparado a equipamentos similares com custos maiores, considerando os benefícios oferecidos comprovados no estudo de Schmidt et al (2015) onde a redução das taxas de mortalidade em hospitais mostrou-se vinculada a um aumento do uso de tecnologias desenvolvidas especificamente para evolução do monitoramento de sinais vitais. 4. Referências Luo, Jingran, et al. (2009). Remote Monitoring Information System and Its Applications Based on the Internet of Things. In: International Conference on Future BioMedical Information Engineering, pages , Sanya, Disponível em: < Acesso em 25 setembro Schmidt, Paul E, et al (2014) Impact of introducting an eletronic physiological surveillance system on hospital mortality In: BMJ Quality and Safety, v. 24, pages 10-20, Setembro, 2015 Wattahawisuth, Natthapol, et al. (2009) Microclimate real-time monitoring based on ZigBee sensor network, In: Sensors, IEEE, pages , Disponível em: < Setembro, World Health Organization. (2003) WHO - definition of Health, Outubro, 2015.