Sistema de Monitoração Remota de Pacientes em Tempo-Real Através da Intranet do Hospital

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1 Sistema de Monitoração Remota de Pacientes em Tempo-Real Através da Intranet do Hospital Rafael Eduardo Ruviaro Christ 1, Marcus Vinícius Mazega Figueredo 2, Thiago Bassani 3, João da Silva Dias 4, Júlio César Nievola 5 2,4 Laboratório de Informática em Saúde, Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUC-PR), Brasil 1,3,5 Laboratório de Sistemas Inteligentes, Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUC-PR), Brasil Resumo - A telemedicina está provocando um grande impacto no monitoramento remoto de pacientes. Atualmente, a disponibilidade de tecnologias sofisticadas de comunicação permite que um número crescente de indivíduos acesse informações e sistemas de controle que melhoram sua qualidade de vida. O advento de equipamentos eletromédicos implicou no aumento de informações médicas disponíveis. Contudo, a maioria desses equipamentos utiliza uma interface serial RS232, tendo a sua conectividade restringida pelas limitações dessa tecnologia. O presente artigo apresenta um sistema de telemedicina que utiliza um monitor de pacientes comercial e o protocolo UDP para permitir a monitoração remota de pacientes em tempo-real através da Intranet de um hospital. A aplicação foi desenvolvida em uma arquitetura cliente-servidor com as linguagens de programação C e Java. Objetivou-se a transmissão e visualização em tempo-real de sinais vitais, definindo-se metodologias de testes baseadas em métodos estatísticos para se determinar a confiabilidade do sistema. Todo o desenvolvimento do sistema é descrito neste artigo, focando-se sempre a importância deste para a informática em saúde e a telemedicina. Palavras-chave: Telemedicina, Monitoração de Pacientes, Tempo-Real, ECG, Sinais Vitais, Intranet, UDP. Abstract The recent advances of telemedicine are increasing the quality of the remote patient monitoring. Nowadays, the availability of sophisticated communication technologies is allowing that a significant number of people access information and systems that improve their life quality. The advent of electromedical devices implicates in the increase of available medical information. Nevertheless, as most of this equipment utilizes RS232 interfaces, there is still low connectivity with telemedical systems. This paper aims to describe a real-time patient monitoring system through the hospital s Intranet. The application was developed in client-server architecture with C and Java programming languages. The system aims the real-time transmission and visualization of vital signals. The reliability of the application is presented through statistics measures. The entire development, involving programming techniques and tests, is described, always focusing the importance of this work to the medical informatics and the telemedicine. Keywords: Telemedicine, Patient Monitoring, Real-Time, ECG, Vital Signals, Intranet, UDP. Introdução A medicina vem sendo profundamente afetada pelas mudanças do mundo. Particularmente, os recentes avanços nas tecnologias de comunicações estimularam o desenvolvimento e a apresentação de projetos de telemedicina [1]. De fato, o termo telemedicina remete à utilização das telecomunicações nos diagnósticos médicos e no atendimento ao paciente [2]. Ela também pode ser descrita como o transporte de informações médicas digitais entre duas locações [3]. Essa última definição possui um significado especial, uma vez que recorre ao conceito da informação médica. O advento dos novos equipamentos eletromédicos (e.g. o monitor de pacientes) implicou no aumento da aquisição dos sinais vitais, que são informação médica. Todavia, esses equipamentos não foram, de maneira geral, projetados visando a sua utilização em sistemas informatizados de monitoração remota. Assim, a sua capacidade de comunicação remota, muitas vezes, resume-se a uma interface RS232. Adicionalmente, não existe, na prática, um padrão de comunicação, de forma que cada fabricante implementa o seu próprio protocolo. Apesar desses

2 obstáculos, a utilização de equipamentos eletromédicos comerciais representa um grande auxílio no projeto de sistemas de telemedicina [4]. A utilização da Internet/Intranet pelos profissionais da saúde e seus pacientes vem aumentando de forma significativa nos últimos anos [5]. Os protocolos da Internet/Intranet, como o TCP/IP e o UDP, são comuns no desenvolvimento de aplicações do dia-a-dia, de forma que representam ferramentas altamente testadas e qualificadas para a transmissão de informações. Os sinais vitais como o sinal de eletrocardiograma (ECG), a freqüência cardíaca e a temperatura, entre outros também podem ser divididos em pacotes e transmitidos com o protocolo UDP, por exemplo. Assim, o presente artigo apresenta o desenvolvimento de um sistema de telemedicina que utiliza um monitor comercial de pacientes e o protocolo UDP para permitir a transmissão de sinais vitais e a monitoração remota de pacientes. São apresentados os desafios encontrados na aquisição dos sinais, a arquitetura utilizada e as metodologias de testes. Finalmente, o trabalho discute os avanços realizados e propõe novos passos para o desenvolvimento de sistemas de telemedicina. Metodologia O sistema foi projetado como uma arquitetura cliente-servidor, conforme esquematizado na Figura 1. Os sinais vitais do paciente são adquiridos pelo monitor de pacientes. O equipamento médico comunica-se com um servidor através de sua Figura 1 Diagrama esquemático do sistema

3 interface serial. O servidor trata essa informação, disponibilizando-a para um cliente remoto. Finalmente, a aplicação cliente permite a visualização dos sinais vitais transmitidos, permitindo também que estes sejam salvos em um arquivo estruturado. Aquisição dos Sinais: O monitor de pacientes é o equipamento mais importante de diagnóstico nas unidades de terapia intensiva (UTIs) dos hospitais, provendo monitoração contínua e interpretação das funções vitais do paciente. A rápida evolução da eletrônica e da tecnologia de informação resulta em monitores capazes de processamento complexo e interpretação dos sinais, além de serem equipados com algum tipo de interface de comunicação [6]. No sistema proposto, utilizou-se o monitor de pacientes Welch Allyn Atlas. O equipamento, além das funções de monitoramento usuais, oferece uma interface serial RS232 com conector RJ45. A arquitetura oferece a possibilidade de dois protocolos de comunicação: o protocolo Welch Allyn e o protocolo Pangea. Nesse projeto, optou-se pela utilização do último, em função da sua melhor documentação. Servidor: O servidor é responsável por adquirir os sinais vitais do monitor de pacientes via interface serial e transmiti-los para o cliente via protocolo UDP. Seu funcionamento é apresentado na Figura 2. Uma vez que a aquisição e a transmissão dos sinais vitais são processos concorrentes, resolveu-se utilizar uma thread para cada tarefa. A Thread I gerencia a comunicação serial entre o servidor e o monitor de pacientes. Primeiramente, ela configura o monitor de pacientes sobre quais sinais vitais deverão ser disponibilizados e a velocidade de transmissão. Com isso, a aquisição de sinais pode ser iniciada. A Thread I trata cada nova informação na porta serial, colocando-a em uma fila circular. A fila circular implementa o algoritmo de exclusão mútua, evitando a sobrescrita de dados. A Thread II controla a comunicação com o cliente. Antes de iniciar a transmissão, ela abre um socket no cliente. Enquanto a fila circular não estiver vazia, a Thread II retira um dado da mesma, inserindo-o em um pacote UDP. Esse pacote é então transmitido ao cliente. Protocolo UDP: O User Datagram Protocol (UDP) é um protocolo de transporte não orientado à conexão, ou seja, ao contrário do Transport Control Protocol (TCP), ele não verifica se o pacote de dados chegou ou não ao seu destino [7]. Ele é bastante útil em ocasiões onde o TCP seria muito complexo, lento ou desnecessário [8]. Em função da característica de tempo-real do escopo do projeto, optou-se pela utilização do UDP. Essa Figura 2 Funcionamento do servidor escolha implicou na necessidade de um método de verificação de perda de pacotes, fazendo-se uma análise estatística dos mesmos, a fim de determinar a probabilidade da ocorrência de erros. Esses dados estão compilados na seção de Resultados. Cliente: O cliente remoto é responsável pela recepção e tradução dos pacotes UDP. O sistema desenvolvido possui uma thread que observa o socket de recepção e armazena os pacotes recebidos em uma fila. Em seguida, esses pacotes são ordenados, detectando-se perdas de dados. Após a verificação, os pacotes são identificados e armazenados em disco. Os sinais contínuos ou discretos são mostrados em uma interface Applet. Pode-se, assim, observar o histórico de sinais discretos ou, então, analisar o eletrocardiograma utilizando o controle de escala. Utilizou-se a linguagem Java por ser uma plataforma

4 erro toda a perda de pacote detectada. Os dados foram compilados em uma análise estatística. Resultados Figura 3 Estrutura da rede independente que facilita o acesso a recursos médicos em ambientes heterogêneos [9]. Testes: O sistema foi testado em uma rede Ethernet de 100Mbps com a arquitetura apresentada na Figura 3. O servidor e o cliente localizam-se em sub-redes distintas, conectadas através dos roteadores A e B. As transmissões foram realizadas por tempos específicos. Nesses períodos, foram mensurados os pacotes transmitidos e os erros ocorridos. Tratou-se como O sistema foi desenvolvido de acordo com as especificações descritas anteriormente. A Figura 4 apresenta a aplicação cliente, desenvolvida em Java. Os sinais vitais que estão disponíveis para monitoração são descritos na Tabela 1. A Tabela 2, por sua vez, apresenta a configuração da comunicação serial. Mediu-se o tráfego da rede durante a execução do sistema. Em média, a comunicação UDP utilizou uma largura de banda de 8,4Kbps durante a transmissão. A Figura 5 apresenta um gráfico com a utilização do meio pela comunicação UDP proveniente do sistema proposto. Foram realizadas 50 amostras de testes. Cada amostra envolveu a transmissão de pacotes de dados. Foi quantificada a ocorrência de erros em cada amostra. Obteve-se 49 erros para cada pacotes, em média. O desvio padrão foi calculado em 2,38. Destes erros, 93,6% ocorreram isoladamente. Discussão e Conclusões A análise da transmissão constatou que o Figura 4 Aplicação cliente monitorando um paciente

5 Figura 5 Largura da banda utilizada. Tabela 1 Sinais Vitais Transmitidos Sinal Vital Unidade Freqüência Cardíaca 1/min Oxigenação Sangüínea % Freqüência Respiratória 1/min Pressão Sistólica mmhg Pressão Diastólica mmhg Pressão Arterial Média mmhg Sinal de ECG (3 derivações) 40 amostras/s Freqüência do Pulso 1/min Temperatura Graus Celsius Tabela 2 Configuração da Interface Serial Parâmetro Configuração Conexão RJ45 Bits por Segundo Bits de Dados 8 Paridade Nenhuma Bits de Parada 1 Controle de Fluxo Nenhum sistema consome uma pequena banda da rede, na ordem de 8,4Kbps. O baixo uso da rede decorre da taxa de transmissão serial fornecida pelo monitor de pacientes (9.600bps). Uma vez que a interface serial representa a fonte dos dados, pode-se assumir que a comunicação pela rede não pode ultrapassá-la. O gasto irrisório de recursos para a transmissão caracteriza um ponto forte do modelo proposto. Em geral, sistemas de telemedicina tendem a sobrecarregar a estrutura de comunicação de que fazem uso. A baixa utilização do meio de comunicação acarreta a pequena ocorrência de erros (0,049%). Para os sinais de ECG, constatou-se que a ocorrência de erros isolados não afeta drasticamente o desenho do sinal na tela. A onda só passa a ser representada de forma errônea, de fato, quando há ocorrência de duas ou mais perdas de pacotes contíguos. Esse evento ocorre em 6,4% dos casos do universo de erros, o que representa 0,003136% do total de pacotes transmitidos. Assim, pode-se afirmar que o sistema é confiável para a transmissão de sinais de ECG. A perda de pacotes de outros sinais vitais não implica em erro, acarretando apenas o atraso da atualização dos dados. É relevante ressaltar que os testes ocorreram em um ambiente controlado e favorável, que não corresponde fielmente ao ambiente da Internet, por exemplo. No contexto da Internet, a perda e o atraso de pacotes UDP tende a ser muito mais comum. Todavia, dentro de um hospital, pode-se projetar um ambiente de rede com condições tão favoráveis quanto às apresentadas durante os testes. Dentro da Intranet do hospital, torna-se possível utilizar os conceitos de qualidade de serviço e de redes virtuais (VLANs) específicas, o

6 que pode reduzir ainda mais as probabilidades de erros na transmissão dos pacotes UDP. A análise da transmissão comprovou a baixa taxa de erros em uma Intranet. O próximo passo do projeto é estender essa qualidade de transmissão para a Internet. Dessa forma, novas pesquisas devem ser realizadas considerando-se outras tecnologias de transmissão, como o Real-Time Protocol (RTP), por exemplo. Esse padrão vem sendo utilizado com ótimo êxito em aplicações de transmissão de voz e vídeo. Uma vez que se comprovou a baixa utilização de recursos da rede, pode-se, inclusive, cogitar a utilização do protocolo TCP, para testes. É possível que, em função da pequena taxa de transmissão, o uso desse protocolo não afete de forma significativa o desempenho da rede, como havia sido suposto anteriormente. A utilização de monitores de pacientes como geradores de dados representa um grande avanço no projeto de sistemas de telemedicina [4]. Uma vez que esses equipamentos são comumente encontrados em hospitais, torna-se menos onerosa a aplicação prática de um projeto. Os monitores possuem qualidade comprovada, o que permite que a equipe de desenvolvimento concentre-se em outras partes críticas do sistema. Atualmente, existem diversos projetos de informática em saúde que necessitam da aquisição automática de sinais vitais. Muitos deles são aplicações de apoio à decisão médica e de monitoramento inteligente de pacientes. Esses sistemas poderiam se aproveitar do projeto proposto através da utilização de padrões de comunicação abertos, como o European Data Format (EDF/EDF+) e a Extensible Markup Language (XML). Esse campo de pesquisa tem obtido ótimos resultados [10]. Agradecimentos Os autores gostariam de agradecer ao Professor Carlos Marcelo Pedroso, MSc, ao Professor Díbio Leandro Borges, PhD e ao Professor Lau Cheuk Lung, PhD pelo apoio oferecido durante a elaboração do presente trabalho. Referências [1] Bai, J., Hu, B., Zhang, Y., Ye D. (1997), "A Communication Server for Telemedicine Applications", IEEE Transactions on Information Technology, v. 1, n. 3, p [2] Lin, J.C. (1999), "Applying Telecommunication technology to Health-Care Delivery: The Current Status and Challenges of Telemedicine", IEEE Engineering in Medicine and Biology, v. 18, n. 4, p , julho/agosto. [3] Hayes, T., Kinsella, A., Brown, N., Perednia, D.A. (1996), "The Telemedicine Information Exchange", J. Telemedicine Health, v. 2, n. 1. [4] Figueredo, M.V.M., Nogueira-Neto, G.N., Dias, J.S., "Challenges Found on Interfacing Software and Electromedical Devices in Telemedicine Applications", não publicado. [5] Siau, K. (2003), "Health Care Informatics", IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, v.7, n. 1, março. [6] Várady, P., Benyó, Z., Benyó, B. (2002), "An Open Architecture Patient Monitoring System Using Standard Technologies", IEEE Transations on Information Technology in Biomedicine, v. 6, n. 1, março. [7] Torres, G. (2001), Redes de Computadores Curso Completo, Rio de Janeiro: Axel Books. [8] Baccala, Brent (1997). UDP Protocol Overview. [http://www.freesoft.org/cie/topics/85.htm]. Acessado em julho [9] Fedyukin, I.V., Reviakin, Y.G., Orlov, O.I., Doarn, C., Harnett, B.M., Merrell, R.C. (2002), "Experience in the Application of Java Technologies in Telemedicine", Journal of Applied Health Technology ehealth International. [10] Figueredo, M.V.M., Nogueira-Neto, G.N., Dias, J.S., "A Codification Scheme for Vital Signals Exchange and Telemedicine Applications Using EDF+ and XML Standards", não publicado. Contato Os autores são pesquisadores do Laboratório de Informática em Saúde e do Laboratório de Sistemas Inteligentes, ambos na Pontifícia Universidade Católica do Paraná, localizada na Rua Imaculada Conceição, 1155, Prado Velho, Curitiba, PR, CEP: Eles podem ser contatados pelo telefone (41) ou pelos seus s: {rafaelchrist, marcus, tbassani, jdias,