Monitorização de Sinais Biomédicos em Assistentes Pessoais Digitais

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1 Monitorização de Sinais Biomédicos em Assistentes Pessoais Digitais R. S. Ortis 1, H. S. Carvalho 2,3, A. F. Rocha 1, Coelho Jr., C. J. N. 3, Nascimento, F. A. O. 1 1 Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade de Brasília, Brasil 2 Faculdade de Medicina, Universidade de Brasília, Brasil 3 Departamento de Ciência da Computação, Universidade Federal de Minas Gerais, Brasil Resumo A evolução na tecnologia dos computadores de mão e das redes de transmissão de dados sem fio foi evidente nos últimos anos. Este trabalho tem como objetivo a utilização de um assistente pessoal digital para a visualização de sinais biomédicos, capturados por meio de uma rede de sensores, e a transmissão dos sinais para outro computador utilizando uma rede sem fio. A limitação do poder computacional e da resolução da tela dos assistentes pessoais digitais não impede a sua utilização para a monitorização e a transmissão dos sinais capturados. O grande fator limitante está na duração da energia disponível na bateria. Palavras-chave: Assistente Pessoal Digital, Sinais Biomédicos, Visualização. Abstract The technological evolution of hand sized computers and in wireless data transmission in the last years was remarkable. The objective of this work is to use a personal digital assistant for the visualization of biomedical signal, captured by a sensors network, and the transmission of the signals to another computer using a wireless network. The limitation in computational power and screen resolution of personal digital assistants don t hinder its use for the visualization and transmission of the captured signals. The major limitation is the available energy in the battery. Key-words: Personal Digital Assistant, Biomedical Signals, Visualization. Introdução Este trabalho faz parte da pesquisa intitulada Personal Health Monitoring Application, desenvolvida por Carvalho [1][2], que consiste no monitoramento remoto de pacientes. A pesquisa tem como objetivo o monitoramento remoto do paciente 24 horas por dia. A captura dos sinais é feita por vários sensores ligados ao paciente, que capturam vários sinais vitais do paciente, como o ECG, a pressão arterial, a freqüência cardíaca, o EMG, o EEG, a temperatura, a oximetria de pulso e a freqüência respiratória. Os sinais são capturados por meio de sensores específicos e conectados a um dispositivo que digitaliza e envia os sinais para um computador através da porta serial. Esse computador deve verificar constantemente esses sinais e, ao encontrar alguma anomalia, decide o que deve ser feito. Essa tomada de decisão não é apenas baseada na análise dos sinais. Para ela, será realizada uma fusão de dados com o prontuário do paciente e com os dados da captura de sintomas realizado pelo APD (do inglês PDA - Personal Digital Assistant). O dispositivo tem como objetivo o monitoramento dos sinais do paciente 24 horas por dia. Para dar um maior conforto aos pacientes o computador utilizado é um assistente pessoal digital possibilitando assim uma maior mobilidade devido ao seu tamanho reduzido. Outro aspecto importante no uso dos APDs é o fato de já possuírem um sistema de gerenciamento de energia, uma vez que a energia é o fator limitante do dispositivo. O objetivo do trabalho é criar um software para a visualização dos sinais capturados na tela de um assistente pessoal digital e a transmissão destes sinais para monitoração remota. Metodologia A visualização dos sinais é um processo que deve ser executado em tempo real. O software para a plotagem dos sinais (Medplot) é um sistema em tempo critico, pois o atraso na plotagem dos sinais de ECG, EMG e EEG poderá prejudicar a sua análise. No caso de sinais onde a taxa de amostragem é mais baixa, como os sinais de pressão arterial, oximetria de pulso e temperatura, a atualização na tela não afeta a visualização. A forma de apresentação do sinal deve ser rápida, para que os sinais apareçam suavemente na tela. Para que a utilização do processador seja baixa, limitou-se a taxa de atualização da tela em 30 vezes por segundo, o que gera uma animação suave. Essa taxa de atualização faz com que o programa tenha um limite de tempo de um trigésimo

2 de segundo para plotar o sinal, o fundo e mostrar o resultado na tela. O Zaurus é um APD baseado no processador Strong ARM 1110 de 206 MHz com 64 MB RAM e 16 MB de ROM (Memória flash). Seu display tem resolução de 320x240 pontos e profundidade de cor de 16 bits. Possui entradas do tipo compact flash e secure digital. O Zaurus permite dois tipos principais de entrada, pelo teclado embutido e pela caneta. O sistema operacional é o Embeddix da Lineo, o qual utiliza o QTopia como interface gráfica [3]. A primeira opção pesquisada para a implementação do programa foi a utilização do OpenGL para plotar os dados na tela. Esta opção não foi utilizada, pois o OpenGL possui funções amplamente baseadas em operações com ponto flutuante [4] e, como os processadores utilizados são processadores de ponto fixo, as implementações do OpenGL existentes para APDs são muito lentas. As operações com ponto flutuante são emuladas pelo sistema operacional. A primeira opção era utilizar a linguagem Java, devido a sua alta portabilidade e o fato do Zaurus já possuir uma maquina virtual instalada, para o desenvolvimento do programa. Devido ao fato de se tratar de uma aplicação em tempo critico em que deve utilizar o mínimo de bateria, o overhead gerado pela maquina virtual Java dificulta a sua utilização. Além disto, a utilização de uma linguagem compilada em tempo de execução pode provocar um retardo na sua utilização em tempo real. Comparamos a utilização da linguagem C e Java para plotar sinais de oximetria de pulso. A utilização da plataforma Java esteve relacionada com um retardo de aproximadamente 3 segundos em relação à linguagem C. A segunda opção para o desenvolvimento era utilizar a linguagem C++ e as interfaces gráficas providas pelo Qtopia. Essas interfaces provêm os mecanismos necessários para a visualização dos sinais. Esses mecanismos são mais eficientes na utilização do processador e energia em detrimento da portabilidade, se comparado com a linguagem JAVA. Foram escolhidos inicialmente seis sinais para serem visualizados: ECG, EMG, pressão arterial, freqüência cardíaca, oximetria de pulso e temperatura. O software foi criado de forma a possibilitar a inclusão de outros sinais facilmente. Uma característica importante do software é o consumo de energia. Infelizmente, o consumo de energia no Zaurus SL-5500 usando a versão 3.10 da ROM não pode ser acompanhado apenas observando o nível da bateria, pois um defeito no sistema de gerenciamento de energia impossibilita a obtenção correta do estado da bateria, em porcentagem de carga. Por isso, foi preciso encontrar outro meio para monitorar o consumo. Para medir o gasto foi inserido no programa um timer que a cada 30 segundos escreve em um arquivo a hora em que a função do timer foi chamada. O procedimento escolhido foi o seguinte: 1. carregar a bateria completamente; 2. desligar a energia externa e iniciar o programa, mostrando o sinal no qual deseja-se medir o consumo; 3. rodar o programa até o Zaurus desligar. Para que o Zaurus execute o programa ininterruptamente, é preciso desligar a entrada automática do APD no modo suspenso, o que foi realizado utilizando o programa qpe-suspendapplet. Outro fator que dificulta a medição é a proteção de tela do Zaurus, que se não for desabilitada pode travar o APD no momento do teste. O programa desabilita a proteção de tela por meio de uma chamada específica para a interface gráfica. A duração do programa é obtida por meio da leitura da primeira linha e da ultima linha do arquivo, o que mostra a hora do inicio e do fim da execução do programa. Como este registro de atividade é escrito a cada 30 segundos, isto implica um erro de até 30 segundos na medida. Outra função do programa é a transmissão dos dados para a monitorização remota dos sinais capturados. Os sinais capturados são enviados via rede para outro computador, onde são visualizados na tela. Como se trata de um sistema em tempo real, exige-se do sistema de comunicação uma taxa de transferência constante para o envio dos dados, de forma a não prejudicar a visualização dos sinais. Em outros protocolos para transferência em tempo real de dados como vídeo ou áudio pela Internet, são admissíveis a perda e o atraso dos dados transmitidos. No caso de sinais biomédicos a integridade dos dados é necessária para a analise pelo profissional de saúde ou software de diagnostico remoto. Desse modo, um sistema de detecção de erros é importante para garantir a integridade dos dados enviados. Resultados A interface implementada consiste de uma tela inicial onde o usuário escolhe qual sinal visualizar. A figura 1 mostra a tela inicial onde o usuário escolhe o sinal que deseja pressionando com a caneta sobre o botão. Os dados mostrados na tela são simulações ou dados reais capturados (ECG).

3 A visualização da pressão arterial (figura 5), mostra na tela as ultimas 10 amostras em um gráfico e em uma tabela, de modo a permitir ao profissional da saúde acompanhar o desenvolvimento do usuário ao longo do tempo. No gráfico, o eixo das ordenadas mostra a pressão em mmhg e os valores correspondem aos valores relativos às pressões arteriais sistólica e diastólica das amostras. Os valores do eixo das abscissas correspondem a numeração das amostras. A tabela abaixo do gráfico mostra os valores de cada amostra e a hora na qual a medição foi realizada. Figura 1 Tela Inicial No caso do ECG o sinal é deslizado pela tela da esquerda para a direita. O sinal visualizado corresponde a 2 segundos do ECG no modo retrato (figura 2) e 2,2 segundos no modo paisagem (figura 3). Cada divisão do eixo do tempo equivale a 0,2 segundos. A amplitude do sinal segue o padrão de 1mv por 10 mm e cada divisão na tela corresponde a 0,5 mv. Figura 3 Plot do ECG no modo paisagem. Figura 2 Plot do ECG. O sinal do EMG é trabalhado de forma que 3 segundos do sinal sejam mostrados na tela. Para tanto, pode ser necessário interpolar ou dizimar amostras. A figura 4 é a captura da tela com o sinal de EMG. Figura 4 EMG

4 Figura 5 Pressão Arterial. Figura 7 Oximetria de pulso Os dados da freqüência cardíaca, oximetria de pulso e temperatura do usuário são mostrados pelas figuras 6, 7 e 8 respectivamente. Seguindo o mesmo padrão do gráfico de pressão arterial, no eixo das ordenadas mostra o valor máximo e mínimo do período e no eixo das abscissas a numeração das amostras. A tabela abaixo de cada gráfico mostra o horário da medição e o seu valor. Figura 8 Temperatura Figura 6 Freqüência Cardíaca. Os testes de consumo de energia foram resumidos na tabela 1. Através dos dados levantados observa-se que o responsável pelo consumo da bateria é, principalmente, a luz de fundo que consome aproximadamente 80% (considerando o teste sem nenhuma tarefa em execução fora o registro do tempo de execução ( )/596 minutos) da carga da bateria quando utilizada no máximo. Deve-se levar em consideração que o consumo avaliado não trata apenas do consumo do visualizador, mas tambem o consumo do programa que registra o estado do APD.

5 Tabela 1 Resultados dos testes do consumo de energia. Sinal Luz de Fundo APS Tempo (min) Nenhum 100 % desligada ECG 100 % % % max 71 desligada EMG 100 % Pressão 100 % Arterial desligada Além da monitorização dos sinais outra função do Medplot é a transmissão dos sinais capturados para a sua visualização remota. Devido à grande portabilidade do Qt (a framework base do Qtopia), a maior parte do código escrito para o medplot foi utilizado na programação da central de monitoramento. Embora a versão do Qt no desktop Linux seja mais recente que a utilizada no Zaurus a compatibilidade entre as versões foi mantida. O programa da central deve conter um servidor que espera as conexões dos APDs. Uma vez conectada, a central pode pedir aos APDs que enviem qualquer sinal que esteja sendo capturado no momento. A cada nova conexão é criada uma instância do medplot utilizado no Zaurus. O medplot na central sofreu alterações pois este agora não está limitado à resolução baixa do LCD e os dados são provenientes de um cliente remoto. A figura 9 é uma instancia do medplot modificado para um pc recebendo dados de ECG, EMG e pressão arterial de um cliente. Discussão e Conclusões O sistema mostra que é viável a utilização de PDAs para a visualização de sinais biomédicos. Apesar das limitações de hardware impostas pela necessidade de baixo consumo de energia pelos componentes dos assistentes pessoais digitais, pode-se utilizá-los para a visualização de sinais biomédicos. A freqüência de atualização dos dados na tela é rápida o suficiente para não prejudicar o sinal e com um esforço computacional aceitável. A visualização remota mostra-se viável, mas para que o sistema seja robusto são necessárias a definição e implementação de um protocolo que permita aos APDs a autenticação, o estabelecimento de sessão, o controle de erros, a transferência de dados de forma rápida e a finalização da transmissão. A utilização da energia para a visualização dos sinais é pequena se comparada com a energia necessária para iluminar o fundo do LCD, e como a utilização do processador não atinge a saturação ao visualizar e transmitir os sinais, conclui-se que é possível utilizar APDs para o monitoramento remoto de pacientes. Agradecimentos O presente trabalho foi realizado com o apoio do CNPq, uma entidade do Governo Brasileiro voltada ao desenvolvimento científico e tecnológico: Chamada Conjunta MCT/SEPIN-FINEP-CNPq 01/2002, Programa de Apoio à Pesquisa e Desenvolvimento e Inovação Tecnológica da Informação PDI TI. Referências [1] Carvalho, S. Hervaldo; Heinzelmann, B. Wendi; Coelho, Claudionor J.N. Gerenciamento de Informações Médicas do Paciente (Projeto GIMPA). CBIS [2] Carvalho H., Coelho C., Heinzelman W., Murphy A. Body-worn sensor networks. Computers in Cardiology, [3] Sharp SL-5500 Product Specs Brief product specifications of the Sharp SL [ sheet_spec55.pdf] em 23/06/2004. [4] Segal, Mark, Akeley, Kurt, The OpenGL Graphics System: A Specification. [ sion1.5/glspec15.pdf]. October, 2003 Figura 9 Monitorização remota dos sinais em um pc.

6 Contatos Rafael Santos Ortis Brasília, DF Tel: (61) Hervaldo Sampaio Carvalho Brasília, DF Tel: (61)