A ENGENHARIA BIOMÉDICA E SUA INTER-RELAÇÃO COM A ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO

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1 A ENGENHARIA BIOMÉDICA E SUA INTER-RELAÇÃO COM A ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO José Carlos da Cunha cunha@unicenp.edu.br UnicenP, Curso de Engenharia da Computação Rua Prof. Pedro Viriato Parigot de Souza, 5300 Campo Comprido Curitiba PR Valfredo Pilla Júnior vpilla@unicenp.edu.br UnicenP, Curso de Engenharia da Computação Edson Pedro Ferlin ferlin@unicenp.edu.br UnicenP, Curso de Engenharia da Computação Resumo: A computação está presente nas mais diversas áreas do conhecimento e uma destas vertentes é a área de engenharia biomédica, que de uma forma muito intensa e irreversível, nos últimos 30 anos tem sido completamente dominada pelas áreas de pesquisa e desenvolvimento de novas tecnologias aplicadas à saúde e ao bem estar dos seres vivos. Este avanço foi impulsionado por duas grandes áreas tecnológicas: a eletrônica e a computação, que formam a base dos cursos de Engenharia da Computação no Brasil e em muitos países, e que em conjunto têm sido utilizadas para suprir a grande maioria das demandas tecnológicas a que a sociedade tem aspirado, sejam nas áreas de saúde, telecomunicações, segurança, entretenimento, etc. Neste sentido o curso de Engenharia da Computação vem atuando na área de Engenharia Biomédica capacitando os futuros engenheiros, com base tecnológica sólida para este desenvolvimento, por meio de disciplinas direcionadas a esta formação e por meio de diversas outras iniciativas, entre as quais podemos destacar o desenvolvimento de projetos de graduação e projetos de pesquisa em parceria com empresas. Palavras-chave: Engenharia Biomédica, Engenharia da Computação, Instrumentação, Diagnóstico. 1 INTRODUÇÃO A grande expansão tecnológica observada no século XX, principalmente na segunda metade deste século, resultou em inúmeras descobertas e desenvolvimentos científicos em praticamente todas as áreas do conhecimento. Dentre essas áreas, uma das que mais se beneficiou com este desenvolvimento foi a medicina, que a partir do desenvolvimento da física, da eletrônica e da computação pode atingir um grau de exploração, diagnóstico e terapia cada vez mais precisos e de forma cada vez menos invasiva ao paciente, aplicando novas técnicas e filosofias de trabalho com base nos equipamentos desenvolvidos (WEBSTER, 1998). 1E06-1

2 Dentro desta realidade, surge a Engenharia Biomédica, ciência e tecnologia com um caráter multidisciplinar, que aplica princípios e métodos de engenharia para compreensão, definição e resolução de problemas em biologia e medicina, tendo como prioridade o desenvolvimento de equipamentos e técnicas para o diagnóstico, a monitoração e a terapia (BRONZINO, 1998). Entre as grandes áreas de atuação do Engenheiro Biomédico podem-se destacar as áreas de engenharia médica, instrumentação biomédica, bioengenharia, engenharia clínica, engenharia de reabilitação, processamento de imagens e sinais biológicos, entre outras (SBEB, 2003). Se tradicionalmente esta era definida como a fusão entre ciências biológicas e tecnológicas, de forma multidisciplinar, atualmente o uso da computação praticamente está em todo sistema médico, como na aquisição, processamento e disponibilização de informações relacionadas aos parâmetros fisiológicos. Além disso, a Engenharia Biomédica está também presente no diagnóstico através do processamento digital de imagens, como em tomografia computadorizada, ultra-sonografia, ressonância magnética, na terapia, e bem como em sistemas de litotripcia, hemodiálise, radioterapia ou então no armazenamento, na transmissão e disponibilização destas informações médicas de forma virtual. A utilização de tecnologias de hardware e software tornou-se fundamental e criou uma grande dependência nessa e em outras áreas da sociedade, de uma forma positiva, pois muito do que se faz hoje em termos de pesquisa, diagnóstico e tratamento das mais diversas patologias era inimaginável há vinte anos atrás. Se considerarmos o Projeto Genoma Humano, cujas primeiras propostas para se mapear o genoma humano surgiram em 1985, com um grupo de cientista que pretendiam detectar mutações em homens, envolvendo uma série de instituições de pesquisa governamentais e particulares, o uso da computação tem sido fundamental no sequenciamento do DNA. Segundo Harold Morowitz, biofísico da Universidade de Yale, Estados Unidos, a Computação está para a Biologia da mesma forma que a Matemática está para a Física (CARVALHO, 2003). Seguindo a mesma linha de pesquisa, a bioinformática tem promovido benefícios para várias áreas, tais como a biologia, a bioquímica, a medicina, e a agricultura. Na medicina permite uma melhora no diagnóstico de doenças, facilitando a detecção para predisposições genéticas a doenças, possibilita a criação de medicamentos baseados em informações moleculares. Além disso, possibilita a utilização de terapias genéticas como remédios e torna possível o desenvolvimento de drogas personalizadas, baseadas no perfil gênico individual. Nos últimos anos, diversos laboratórios têm trabalhado no sequenciamento de vários genomas, tendo seqüenciado mais de 100 organismos e outros 600 estão e processo. Na área de imagens médicas, embora mais de 75% de todas as imagens médicas ainda sejam de obtidas por meio de filmes de raios-x, com o advento da Tomografia Computadorizada em 1972, o uso de computadores na medicina tem se desenvolvido bastante, mas precisa ainda progredir muito. Os computadores são utilizados principalmente na aquisição das imagens, mas o passo atual e do futuro é o uso da computação gráfica para auxiliar na quantização da imagem e tratamento para a melhor extração da informação possível, aplicando princípios físicos e matemáticos deste processo, bem como das ferramentas computacionais para a reconstrução da imagem. Infelizmente a quantização das imagens ainda está em sua infância, e o discernimento numérico de tecidos ainda não é factível na maioria dos casos (OLIVEIRA FILHO, 1999). O mesmo tem ocorrido com outras tecnologias de aquisição de imagens médicas, como em Radiologia Digital, Ressonância Magnética, Medicina Nuclear, Ultra-Sonografia, Tomografia por Emissão de Pósitrons, entre outras, na qual a utilização dos recursos da Engenharia da Computação são fundamentais e insubstituíveis. 1E06-2

3 2 A ENGENHARIA BIOMÉDICA E A CONTRIBUIÇÃO DA ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO Como se pode constatar, a formação de profissionais habilitados para atuarem, não só no desenvolvimento, mas também em pesquisa, operação, treinamento e manutenção de sistemas biomédicos, é fundamental para o desenvolvimento científico e tecnológico neste campo de atuação. Neste sentido o curso de Engenharia da Computação vem atuando na área de Engenharia Biomédica capacitando os futuros engenheiros, com base tecnológica sólida para este desenvolvimento, por meio de disciplinas direcionadas a esta formação, além de diversas outras iniciativas, entre as quais podemos destacar o desenvolvimento de projetos de graduação e projetos de pesquisa em parceria com empresas. Ocorre, entretanto, que a formação de profissionais qualificados para atuarem na área de Engenharia Biomédica esbarra em alguns problemas relacionados ao baixo número de Instituições de Ensino (IEs) que oferecem a formação e a falta de incentivos governamentais para o desenvolvimento da indústria nacional de tecnologias aplicadas à saúde, o que acaba resultando em um número expressivo de importações na área, gerando um ciclo vicioso. Tradicionalmente, no Brasil, a formação em Engenharia Biomédica tem se dado prioritariamente em nível de pós-graduação (especialização, mestrado e doutorado), o que acaba restringindo ainda mais a formação de profissionais. Dentro desta classificação encontramos importantes IEs voltadas à formação deste profissional, dentre as quais podemos citar o Centro de Engenharia Biomédica da Universidade Estadual de Campinas (CEB/UNICAMP), o Programa de Engenharia Biomédica da Universidade Federal do Rio de Janeiro (COPPE/UFRJ), o Centro de Pós Graduação em Engenharia e Informática da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (CPGEI/UTFPR), o Grupo de Pesquisa em Engenharia Biomédica da Universidade Federal de Santa Catarina (GPEB/UFSC) entre outros tantos programas de pós-graduação espalhados pelo Brasil, perfazendo mais de 20 grupos formalmente estabelecidos, entre tantos outros informais (SBEB, 2003). Paralelamente, muitos cursos de engenharia, principalmente elétrica, eletrônica e da computação, têm se voltado ao ensino, através de disciplinas optativas de engenharia biomédica ou instrumentação biomédica, e à pesquisa em engenharia biomédica em nível de graduação, aproveitando a formação recebida por seus professores em cursos de mestrado e doutorado tanto no Brasil como no exterior, formando pequenos grupos de pesquisa que começam a aparecer de forma significativa nos congressos específicos da área. Conforme descrito em (PILLA et al., 2003), (FERLIN et al., 2003) e (FERLIN, 1999), a estrutura curricular do Curso de Engenharia da Computação do UnicenP, que é seriado, congrega as disciplinas técnicas específicas em duas grandes áreas, hardware e software, as quais são desenvolvidas simultaneamente ao longo das séries, tendo como característica a integração das disciplinas destas duas áreas, definida no contexto da aplicação de estratégias inter e multidisciplinares, o que vem a colaborar com o desenvolvimento de um trabalho consistente na área de Engenharia Biomédica. A Tabela 1 mostra as disciplinas das áreas de hardware e software que compõe a grade do Curso de Engenharia da Computação do UnicenP. A partir de 2002, depois de constatado o grande interesse que os alunos despertaram pela área, foi oferecida a disciplina optativa de Instrumentação Biomédica aos alunos da última série de graduação, com uma adesão de 100% dos alunos, fato este que se repetiu em 2003, quando a mesma foi novamente oferecida. A ementa desta disciplina, que é anual e tem carga horária total de 80 h/a, aborda os temas relacionados aos conceitos fundamentais de instrumentação biomédica, sensores e transdutores para uso em instrumentação biomédica, estudo da origem dos biopotenciais, bem como de amplificadores e sistemas de processamento de sinais biomédicos e de biopotenciais, análise e desenvolvimento de 1E06-3

4 sistemas aplicados à aquisição e processamento de parâmetros de origem biológica, entre os quais pressão sanguínea, sons de origem fisiológica, medição de fluxo e volume sanguíneo e medições no sistema respiratório, avaliação e análise das tecnologias utilizadas na aquisição e processamento de imagens médicas, bem como das aplicações das mesmas, análise e avaliação das tecnologias disponíveis para dispositivos terapêuticos e protéticos, e dos princípios de funcionamento das mesmas. Tabela 1 - Disciplinas que compõe as áreas de hardware e de software do Curso de Engenharia da Computação do UnicenP. Hardware Eletrônica; Sistemas Digitais; Arquitetura e Organização de Computadores; Teleinformática; Microprocessadores; Instrumentação Eletrônica; Processamento de Sinais. Software Algoritmos e Programação de Computadores; Fundamentos de Computação e Programação; Banco de Dados; Engenharia de Software; Sistemas Operacionais; Computação Gráfica; Inteligência Artificial. Como se pode perceber, a abordagem é ampla, principalmente se considerada a carga total de 80 h/a, entretanto, como se trata de uma disciplina optativa, esta tem por meta despertar a curiosidade e o interesse dos alunos por estudos superiores, contribuindo, em alguns casos, com a possibilidade da realização de projetos de graduação dentro da área. Outro fator que colabora com o bom aproveitamento da disciplina de instrumentação biomédica é o fato desta ser ministrada na série seguinte à da disciplina de instrumentação eletrônica, na qual muitos fundamentos tecnológicos necessários à compreensão, projeto e implementação de sistemas biomédicos, tais como amplificadores de instrumentação, filtros ativos e transdutores, entre outros temas, serem abordados de forma muito detalhada, com aspectos teóricos e práticos nessa disciplina de 160 h/a. Paralelamente à Instrumentação Biomédica, as disciplinas de Processamento de Sinais, Computação Gráfica e Inteligência Artificial, contribuem fornecendo subsídios teóricos à compreensão dos vários sistemas abordados, principalmente os relacionados aos sistemas de aquisição e processamento de imagens médicas. Como o objetivo da disciplina não é o de formar um especialista em Engenharia Biomédica, nem tampouco esgotar o tema, aspectos relacionados à fisiologia e à anatomia, necessários à compreensão dos vários tópicos abordados, são vistos de forma superficial, porém muito direcionada ao aspecto relevante da análise que se deseja realizar. Dentro deste aspecto, são abordados, principalmente, temas relacionados aos sistemas cardiovasculares e neurofisiológicos. Adicionalmente, como os alunos precisam cumprir um total de 160 h/a em disciplinas optativas e, considerando que a disciplina de Instrumentação Biomédica é de 80 h/a, estes podem buscar estas em outras áreas do conhecimento, oferecidas pelos cursos de graduação do UnicenP, tais como fisiologia básica, redes neurais, neuroanatomofisiologia, etc., garantindo desta forma uma formação mais aprofundada em ciências biomédicas, possibilitando a entrada em cursos de mestrado e doutorado em engenharia biomédica, como já ocorrido com alguns alunos egressos do UnicenP. A produção científica dentro da área de Engenharia Biomédica tem se mostrado muito promissora, pois no período de 2002 a 2005, foram publicados oito trabalhos em congressos de âmbito internacional, nacional e regional, inserindo o curso de Engenharia da Computação do UnicenP no universo de engenharia biomédica brasileiro. Isto só tem sido possível graças a 1E06-4

5 participação do corpo docente, composto por três professores com mestrado em Engenharia Biomédica (PILLA JR et al., 2003; CUNHA et al., 2004a e 2004b). 3 DESENVOLVIMENTO DE PROJETOS Os primeiros esforços para a consolidação de um grupo de pesquisa e desenvolvimento em Engenharia Biomédica dentro do Curso de Engenharia da Computação do UnicenP começaram a apresentar resultados no final do ano de 2002, com o desenvolvimento de dois projetos de graduação de curso, apresentados no Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica, realizado em São José dos Campos, bem como com o término da primeira turma de Instrumentação Biomédica e o ingresso no Mestrado em Engenharia Biomédica (na UTFPR) de dois alunos que desenvolveram pesquisas na área de engenharia biomédica no Projeto de Final de Curso. Até o final de 2006, os resultados obtidos podem ser resumidos em 15 Projetos de Final de Curso, quatro projetos de pesquisa feitos em parceria com empresas privadas e o ingresso de sete alunos em cursos de mestrado em Engenharia Biomédica, mostrando claramente o potencial e a disposição destes profissionais para atuarem na área. Passados quatro anos, o desenvolvimento de Projetos de Final de Curso tem tido uma grande participação de projetos na área de engenharia biomédica e instrumentação eletrônica, como pode ser visto na Tabela 1 e na Figura 1, nas quais estão relacionadas as áreas de desenvolvimento no curso. Tabela 2 Projetos de Final de Curso desenvolvidos nas áreas de pesquisa do curso de Engenharia da Computação até Área de Pesquisa N. de proj. Porcentagem 1. Computação Reconfigurável 11 5% 2. Engenharia Biomédica 19 19% 3. Instrumentação Eletrônica e Física Experimental 19 19% 4. Reconhecimento de Padrões 13 13% 5. Outras áreas 43 44% Figura 1 Distribuição das áreas de pesquisa nos projetos de Final de Curso Uma das características mais marcantes nos trabalhos na área de Engenharia Biomédica, desenvolvidos pelo curso de Engenharia da Computação do UnicenP, é a multidisciplinaridade, pois tradicionalmente, vários pesquisadores e profissionais das áreas de 1E06-5

6 saúde e engenharia têm trabalhado em conjunto, principalmente nas áreas de medicina, fisioterapia e educação física, no desenvolvimento de projetos de pesquisa. Segundo FERLIN et al. (2003), a multidisciplinaridade propicia o aumento da motivação por parte dos pesquisadores e alunos, pois estes passam a entender a relações entre as várias áreas envolvidas no desenvolvimento de projetos que a princípio necessitariam. O mesmo princípio tem sido utilizado no desenvolvimento dos projetos de conclusão de curso, de pesquisa e de parceria tecnológica com empresas privadas. Dentro deste conceito foram desenvolvidos, nos últimos três anos, projetos envolvendo conceitos de biofeedback em recuperação de pacientes com lesão muscular, com a participação de professores do departamento de Educação Física do UnicenP, análise de tremor das mãos, para diagnóstico do Mal de Parkinson (CICHACZEWSKI & CUNHA, 2005), em conjunto com pesquisadores de neurologia da UFPR, sistema para análise do nível de consciência, com aplicações em anestesiologia (CENDON et al., 2004), sistema para auxílio na comunicação de indivíduos surdos através de um sistema computacional de tradução da língua brasileira de sinais, em conjunto com profissionais da área de educação especial, sistema para análise de marcha, para atletas, em conjunto com profissionais de educação física, entre outros. 4 CONCLUSÃO Percebe-se, em todas as pesquisas e trabalhos desenvolvidos dentro da área de Engenharia Biomédica, até o momento, a grande interação entre as áreas básicas e avançadas do curso de graduação em Engenharia da Computação do UnicenP, bem como a inter e multidisciplinaridade na solução dos problemas propostos e respectivas implementações físicas e lógicas, mostrando claramente a possibilidade e viabilidade do desenvolvimento de trabalhos com excelente nível acadêmico e tecnológico dentro do escopo da graduação e a grande relação entre a Engenharia Biomédica e a Engenharia da Computação. Fica cada dia mais evidente a dependência tecnológica das áreas de saúde com relação a novas descobertas e à utilização de tecnologias computacionais, mesmo no avanço de pesquisas clínicas e pesquisas de base, pois a viabilização destas depende em maior ou menor escala do uso de recursos, técnicas, ferramentas e métodos desenvolvidos em Engenharia da Computação e áreas afins. Fica evidente, também, que só será possível manter o avanço crescente em Engenharia Biomédica se houver uma estreita relação entre os pesquisadores e profissionais das várias áreas do conhecimento envolvidas, sejam estes biólogos, médicos, fisioterapeutas, engenheiros da computação e eletrônicos, físicos e matemáticos, como vem ocorrendo em várias áreas do conhecimento humano. 5 REFERÊNCIAS BRONZINO, J.D. (editor-in-chief) The Biomedical Engineering Handbook. Boca Raton: CRC Press/IEEE Press, CARVALHO, A. C. P. L. F., Computação Bioinspirada. Revista Eletrônica de Ciências, São Carlos, n. 22 (Outubro/ Novembro/ Dezembro), CENDON, R. V.; CUNHA, J. C.; PILLA JR, V., Sistema de Amplificação, Tratamento e Digitalização de Sinais de EEG. In: IX PIBIC - Seminário de Iniciação Científica e Tecnológica CEFET-Pr/CNPq. Anais do IX PIBIC. Curitiba, 2004, p E06-6

7 CICHACZEWSKI, E.; CUNHA, J. C. Sistema Computacional de Auxílio ao Diagnóstico e Avaliação de Tremores. In: SABI XV Congreso Argentino de Bioingeniería. Anales del SABI XV Congreso Argentino de Bioingeniería. Entre Ríos, 2005, p. 38. CUNHA, J. C.; FERLIN, E. P.; PILLA JR, V. O Desenvolvimento de Pesquisas em Engenharia Biomédica no Nível de Graduação no UnicenP. In: WCETE 2004 World Conference on Engineering and Technology Education. Proceedings of the WCETE 2004 World Conference on Engineering and Technology Education. Guarujá, 2004a. CUNHA, J. ; PILLA JR, V.; FERLIN, E. P.; BOREKI, G. A Integração Entre Universidade e Empresa Através da Cooperação Científica no Curso de Engenharia da Computação do UnicenP. In: COBENGE Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia. Anais do COBENGE Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia. Brasília-DF, 2004b. FERLIN, E., P. Use of Multidiciplinary in Undergraduate Computer Engineering in the Courses of the Digital Area. In: FIE 99-29th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference Proceedings of the FIE 99-29th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference San Juan, 1999, p. 12a a9-48. FERLIN, E., P.; PILLA JR, V.; CUNHA, J. C. The Graduation Thesis in the Computer Engineering Program at UnicenP. In: FIE th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference. Proceedings of the 33th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference 2003, Boulder, p. F2F-6 - F2F-10. OLIVEIRA FILHO, K. S. O., Fundamentos de Radiodiagnóstico por Imagem. Disponível em < Disponível em: 29 Out Acesso em: 26 abril PILLA JR, V.; FERLIN, E. P.; CUNHA, J. C.; GONÇALVES, M. M. A Integração das Disciplinas na Linha de Hardware no Curso de Engenharia da Computação do UnicenP. In: COBENGE Congresso Brasileiro de Ensino em Engenharia. Anais do COBENGE Congresso Brasileiro de Ensino em Engenharia. Rio de Janeiro, PILLA JR, V.; FERLIN, E., P.; CUNHA, J. C.; GONÇALVES, M. M. A integração de disciplinas na Linha de Hardware no Curso de Engenharia da Computação do UnicenP. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENSINO EM ENGENHARIA. Anais do COBENGE Congresso Brasileiro de Ensino em Engenharia. Rio de Janeiro, 14 a 17 de Setembro de SBEB - Sociedade Brasileira de Engenharia Biomédica. ( 24/11/2003. WEBSTER, J. G. (Ed.), Medical In-strumentation: Application and Design, 3rd edition. New York: John Wiley & Sons, E06-7

8 THE BIOMEDICAL ENGINEERING AND ITS INTERELATIONSHIP WITH THE COMPUTER ENGINEERING Abstract: The computation is present in many areas of the knowledge and one of these areas of application is the biomedical engineering. The Biomedical Engineering has been, in the last 30 years, completely dominated by the research and development areas of new technologies applied to the health and the welfare of the human beings. Two major technological fields stimulated this advance: the electronics and the computation. They are the basis of the Computer Engineering field and have been used jointly to supply many of the technological demands desired by the society as much in the area of the health as in the area of the telecommunications, security, entertainment, etc. In this direction, the Computer Engineering Program comes acting in the area of biomedical engineering, qualifying the future engineers with solid technological base for this development through courses focused in this formation and by means of diverse other initiatives among which we can point out the development of undergraduation projects and projects of research in partnership with medical equipment industry. Key-words: Biomedical Engineering, Computer Engineering, Instrumentation, Diagnostics 1E06-8