TeleCardio: Telecardiologia a Serviço de Pacientes Hospitalizados em Domicílio * Rodrigo Varejão Andreão 1, José Gonçalves Pereira Filho 2, Camilo Zardo Calvi 2 1 Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Departamento de Engenharia Elétrica 2 Programa de Pós-Graduação em Informática, Departamento de Informática Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), Vitória (ES), Brasil Resumo Muitos centros urbanos exibem atualmente dificuldades comuns ligadas à superlotação de leitos hospitalares e custos de internação. Esse quadro tem conduzido pesquisadores a proporem soluções tecnológicas para que o paciente seja mantido em seu domicílio e continue recebendo serviços médicos apropriados. Esse artigo apresenta um sistema de Telecardiologia Domiciliar para monitoramento remoto de pacientes cardíacos, que utiliza uma plataforma de suporte a aplicações móveis e sensíveis ao contexto, mecanismos de análise de sinais eletrocardiográficos e geração automática de alarmes, possibilitando a ampliação do acesso ao atendimento emergencial de pacientes crônicos. Palavras-chave: Telemedicina, Telecardiologia, Sinais Biomédicos, Computação Sensível ao Contexto. Abstract A common problem in many urban areas nowadays is the hospital overpopulation and high costs of medical care. This situation has motivated the search for solutions that can allow a patient to receive appropriate medical care while still at home. This paper presents a Telehomecare system for remote monitoring of for patients with cardiological syndromes. This system is built on top of a middleware for mobile and context-aware applications as well as mechanisms for ECG signal analysis and for automatic alert generation. This opens the possibility for a wider number of chronic patients to have access to emergency services. Key-words: Telemedicine, Telecardiology, Biomedical Signals, Context-Aware Computing. Introdução Os últimos avanços das tecnologias de computação e comunicação sem fio (ex: Bluetooth, Wi-Fi, GPRS), aliado à popularização dos dispositivos móveis multifuncionais (PDAs, celulares, GPS) e ao uso crescente de pequenos dispositivos médicos para aquisição de sinais vitais têm impulsionado o surgimento de novas aplicações e modalidades de tele-monitoramento de pacientes, possibilitando o acompanhamento e o diagnóstico em tempo real de doenças de risco [4]. Uma das áreas de destaque é a Telecardiologia, em particular o tele-monitoramento da atividade cardíaca através do eletrocardiograma (ECG). O tele-monitoramento através do ECG tem despertado um grande interesse da comunidade científica devido ao alto índice de mortes associadas às doenças do coração, entre as quais podemos destacar a Isquemia do Miocárdio (IM) [1, 17]. A IM é uma doença que se manifesta mais correntemente em condições normais de atividade do indivíduo e tem como conseqüência o Infarto do Miocárdio. Nessas condições, uma intervenção rápida e eficiente de uma equipe médica se faz necessária, a fim de garantir um tratamento médico mais eficaz, minorando as conseqüências de um infarto no coração. Mais recentemente, assistimos em alguns países ao surgimento de uma nova modalidade de tele-monitoramento, que apresenta grandes perspectivas no acompanhamento e tratamento de pacientes crônicos: a Telecardiologia em Domicílio. Essa nova modalidade de Telemedicina [1] tende a somar aos esforços de serviços de assistência médica em domicílio já existentes, possibilitando o monitoramento mais eficiente do estado clínico do paciente, a partir da aquisição remota do eletrocardiograma, da pressão sanguínea, da taxa de glicose, de dados relativos à atividade e movimentação física, entre outros dados vitais, obtidos diretamente a partir de sensores ou derivados através de um processo adequado de inferência. A Telecardiologia em Domicílio tem por principais objetivos melhorar a qualidade da hospitalização de pacientes em domicílio, reduzir a taxa de ocupação dos leitos hospitalares, reduzir gastos com hospitalização, e identificar de maneira precoce algumas doenças de risco, permitindo um tratamento mais rápido e eficaz. Este artigo apresenta o Projeto TeleCardio: Telecardiologia a Serviço do Paciente em * Este trabalho tem o apoio financeiro da FAPES Fundação de Apoio à Ciência e Tecnologia do Espírito Santo (processo n 31.024.866/2005).
Ambientes Hospitalares e Residenciais [18], uma iniciativa dos Programas de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e em Informática do Centro Tecnológico da UFES. O projeto propõe o desenvolvimento integrado (hardware e software) de um sistema de Telecardiologia voltado para o acompanhamento da atividade elétrica do coração em pacientes crônicos. Pretende-se explorar diferentes cenários de funcionamento do sistema, propiciando diferentes níveis de ubiqüidade aos principais atores do sistema (pacientes e médicos): Cenário 1 Monitoramento domiciliar. O paciente é mantido em seu domicílio ou em uma Unidade de Saúde. O seu sinal ECG é adquirido através de um aparelho holter e transmitido a um computador remoto que os envia dados até uma Central de Monitoramento. O especialista médico de plantão em uma Unidade de Saúde ou mesmo o médico particular do paciente em sua residência ou em seu local de trabalho, pode interagir com o sistema, acompanhando o paciente a partir de um computador desktop, um notebook ou um dispositivo móvel como o PDA. Esse é o cenário inicialmente explorado pelo projeto. Cenário 2 Unidade móvel de emergência (ambulância). Durante o transporte de pacientes os seus sinais vitais podem ser transmitidos até a Central de Monitoramento do sistema através de um enlace de rádio-freqüência. Ações auxiliares de naturezas diversas podem ser tomadas automaticamente, como o envio de mensagens SMS para médicos, familiares e/ou a Unidade de Saúde mais próxima; o disparo de solicitações de serviços médicos específicos na Unidade de Saúde selecionada; contato automático com o Plano de Saúde do paciente; bem como a possibilidade de integração runtime com outros serviços/aplicações cadastrados no sistema (por exemplo, seleção em tempo real de rotas de trânsito mais adequadas até a Unidade de Saúde, etc). Cenário 3 Monitoramento em ambiente externo. Nos deslocamentos do paciente em ambientes externos (outdoor), o seu sinal ECG é enviado à Central de Monitoramento através do sistema de comunicação móvel celular. Esse cenário promove maior grau de mobilidade para os principais atores do sistema. Metodologia O desenvolvimento do Projeto TeleCardio está apoiado em duas linhas de investigação científica distintas, mas que se integram no objetivo de superar algumas das limitações de sistemas similares atuais: (i) a utilização de métodos originais de processamento automático do ECG ambulatorial em vista da geração de alarmes em situações de risco para a saúde do paciente, em particular episódios de isquemia silenciosa [2]; e (ii) o emprego de plataformas (middleware) sensíveis ao contexto, dotadas de funcionalidades adequadas para o desenvolvimento e execução de aplicações de tele-monitoramento que explorem o contexto dinâmico dos seus usuários (os pacientes e os profissionais de saúde). O uso de plataformas context-aware é justificado pela complexidade de manipulação de informações contextuais e dinâmicas, causadas pela mobilidade dos usuários e por características situacionais inerentes a cada ambiente ou situação monitorada [10]. Conceitualmente, do ponto de vista arquitetural, o ambiente TeleCardio (Figura 1) é uma estrutura constituída por três camadas: (i) Camada de Sensoriamento, responsável pela aquisição e pelo processamento de sinais eletrocardiográficos; (ii) Camada de Suporte, constituída por uma plataforma que fornece os componentes funcionais, os algoritmos, os serviços e as demais facilidades para o armazenamento e o processamento da informação contextual; e (iii) Camada de Universalização, que provê uma interface padrão para a configuração dos diversos domínios de aplicações atendidos pela plataforma, para a definição de seus parâmetros operacionais, para o cadastramento de provedores de contexto e de serviços, para a definição dos atores do sistema (médicos, pacientes, unidades hospitalares, etc), para a seleção de questões de privacidade, etc. As três camadas conceituais estão inicialmente sendo realizadas por duas Unidades Operacionais (Figura 2). A primeira delas, a Unidade Remota, pode ser o próprio domicílio do paciente ou alguma Unidade de Saúde onde ele esteja internado. A segunda é a Central de Monitoramento, que pode estar localizada em um Hospital, em um Posto Público de Saúde, em uma Clínica Especializada ou mesmo em uma Central de Emergência independente. A Unidade Remota e a Central de Monitoramento utilizam a Internet como meio de transporte para a troca de informações. A Unidade Remota possui os seguintes elementos: Dispositivo Portátil. Elemento que acompanha o paciente, possibilitando relativa mobilidade em suas tarefas cotidianas. Ele é composto de um aparelho de medição de eletrocardiograma ambulatorial (Holter), um mecanismo de alarme acionado pelo próprio paciente, e um dispositivo de transmissão de dados em rádio freqüência (RF) para o Computador Remoto [6]. Computador Remoto. Elemento responsável pela recepção, armazenamento e tratamento das informações transmitidas pelo Dispositivo Portátil. Através de um programa de
comunicação, os dados são enviados à Central de Monitoramento. No Computador Remoto há também um mecanismo de análise de sinais ECG e geração automática de alarmes [5]. Figura 1 O ambiente TeleCardio. existência de uma plataforma de suporte sensível ao contexto. Essa plataforma fornece a infraestrutura básica de serviços e componentes necessários para o desenvolvimento dessas aplicações. Exemplos de componentes incluem um modelo de contexto, uma linguagem de subscrição, um mecanismo de interpretação de contexto, um gerente de serviços semânticos, uma política de privacidade e segurança das informações, uma interface uniforme com os sensores e as diversas outras fontes de dados contextuais, etc. A plataforma em desenvolvimento no projeto, denominada de Infraware (Figura 3) [16], é um middleware baseado na tecnologia de distribuição Web Services, e foi definida visando atender a vários requisitos funcionais presentes em ambientes sensíveis ao contexto e integrá-los em uma infra-estrutura única, formando assim uma arquitetura flexível e adequada para a concepção de aplicações reais, em domínios variados. Figura 2 Interação entre os atores do sistema. A Central de Monitoramento é composta por: Servidor de Monitoramento. Unidade funcional que implementa o middleware de suporte e, num primeiro momento, uma aplicação-piloto, sensível ao contexto, para gerenciamento das informações e acompanhamento remoto, via Internet, do estado clínico dos pacientes. Base de Dados Contextual. O Servidor de Monitoramento trabalha sobre uma base dados contextual contendo informações de cada paciente. Exemplos de informações incluem exames médicos, dados pessoais, histórico clínico e outros. Essas informações e os sinais vitais enviados pelo computador remoto compõem o Prontuário Eletrônico do Paciente (PEP). Esse prontuário fica a disposição do médico responsável para consultas e alterações. A Plataforma de Suporte Como visto, diferentes cenários de uso são vislumbrados no projeto TeleCardio. Esses cenários são caracterizados por exibirem contextos altamente dinâmicos, variados e um alto grau de mobilidade dos seus principais atores (médicos, pacientes, paramédicos, etc). Por sua vez, as aplicações vislumbradas no projeto pressupõem a Figura 3 A Plataforma Infraware. Uma característica marcante da Infraware é o uso de conceitos da Web Semântica: ontologias especificam modelos formais extensíveis que descrevem não somente o domínio das aplicações, mas também os serviços. Essa abordagem diferenciada provê meios de configurar as interações aplicação-plataforma em tempo de execução (runtime). A plataforma também pode ser customizada pela adição de novos serviços e entidades ao se estender as ontologias. Além disso, a adoção de Web Services como tecnologia de distribuição permite que aplicações acessem os serviços oferecidos através de protocolos da Internet e facilita a inclusão de novos serviços à plataforma por terceiros. Essa flexibilidade torna a Infraware adequada ao desenvolvimento de uma larga gama de aplicações em cenários reais, como os de Telecardiologia anteriormente descritos. A arquitetura da Infraware foi definida a partir do estudo de requisitos para a computação sensível ao contexto e especialmente projetada para superar limitações impostas pelas arquiteturas distribuídas
tradicionais no que se refere à manipulação de contexto. Maiores informações em [15]. O Processamento de Sinais ECG O sinal eletrocardiográfico é adquirido por um dispositivo especial chamado Holter e transmitido via comunicação sem fio até um Computador Remoto (Figura 2). O Computador Remoto é composto por um módulo de Processamento de Sinais Eletrocardiográficos e por um WrapperHolter. O Holter envia, a cada 30 segundos, blocos de informações de sinais ECG pré-processados e eventos associados a situações de risco para o paciente. O módulo de Processamento de Sinais realiza a análise dos sinais eletrocardiográficos obtidos do paciente e dispara alarmes de emergência quando necessário. O WrapperHolter realiza a tradução da informação processada em um modelo de dados específico de tecnologia para um modelo padrão reconhecido pela plataforma de suporte. Em um cenário médico-hospitalar como o descrito a existência de um componente Wrapper, conversor de modelos de dados, justifica-se pela grande variedade de aparelhos e dispositivos de sensoriamento de dados vitais existentes, contendo protocolos, algoritmos e modelos de descrição de dados diversos. Os algoritmos utilizados no módulo de Processamento de Sinal ECG estão organizados em uma estrutura composta por três camadas (Figura 4) [1]. A camada 0 diz respeito ao processamento mais básico do sinal ECG, que consiste em indentificar numa sequência de amostras de um dado registro de ECG os eventos elétricos elementares que serão usados para a interpretação do traçado. Primeiramente, o sinal ECG é processado pela transformada wavelet Chapéu Mexicano, que tem por função realçar a informação útil do sinal em detrimento do ruído. Além de possuir uma alta resolução temporal e uma morfologia mais próxima do complexo QRS normal, a escolha da função Chapéu Mexicano é resultado de seu melhor desempenho entre as wavelets contínuas no processamento de sinais ECG [1]. Em seguida, uma abordagem estatística baseada nos modelos ocultos de Markov (HMM) é responsável pela segmentação do sinal processado em termos das formas de onda elementares do batimento cardíaco, que são as formas P, QRS, T e linha isoelétrica [1]. Na verdade, a segmentação consiste em associar as amostras do sinal processado ao HMM de cada forma elementar de maneira a maximizar a verossimilhança. A partir das informações obtidas na Camada 0, inicia-se para a classificação dos batimentos na Camada 1. Nesse caso, um sistema a base de regras heurísticas busca traços característicos no sinal segmentado seguindo a abordagem do cardiologista. O sistema implementa a classificação de batimentos ventriculares prematuros (ESV), que são caracterizados por um complexo QRS largo e pela prematuridade da contração ventricular. Figura 4 Algoritmo de classificação do sinal ECG. Por último, a Camada 2 efetua uma análise de longo termo, de forma a identificar eventos anormais persistentes. Atualmente, o sistema realiza a identificação de episódios de isquemia cardíaca, que consiste em monitorar o desvio da amplitude do segmento ST ao longo do tempo. Essa informação possibilita a identificação precoce de espisódios de isquemia (quando o desvio ultrapassa um limiar de 0,1 mv durante um período de no mínimo 30 segundos), que normalmente precedem o infarto no miocárdio. Na ocorrência de um evento anormal detectado pelas Camadas 1 e 2 do módulo de Processamento de Sinais, o WrapperHolter é notificado e envia a informação de ocorrência desse evento à plataforma de suporte. Dessa maneira, podem-se antecipar complicações decorrentes de eventos de risco que o paciente esteja sofrendo. Resultados O sistema TeleCardio encontra-se em fase de implementação, com alguns dos seus módulos já em processo de integração. O desenvolvimento do sistema foi dividido em duas frentes: (i) definição da arquitetura conceitual e implementação dos componentes da plataforma de suporte; e (ii) projeto e implementação de uma aplicação-piloto de monitoramento para validar, em especial, os algoritmos utilizados no módulo de processamento de sinal ECG.
Nessa primeira fase de desenvolvimento do projeto estão sendo priorizados a implementação interna dos componentes da plataforma e os algoritmos e a interface gráfica da aplicação-piloto. Com relação à plataforma de suporte, já estão implementados o Interpretador de Contexto [14] e o protocolo de Descoberta de Serviços do Gerente de Serviços [7]. As arquiteturas internas dos módulos de Controle de Acesso e Privacidade [8] e do Gerente de Subscrição encontram-se especificadas e em fase de implementação. Testes de integração entre esses dois módulos também estão sendo realizados. Para testar a interface entre eles foi desenvolvida uma aplicação móvel e colaborativa para troca de informações entre profissionais de saúde em um ambiente médicohospitalar hipotético [12]. Com relação à aplicação de monitoramento do eletrocardiograma, essa já conta com uma interface GUI desenvolvida em Matlab para exibição do sinal ECG e dos eventos gerados pelos algoritmos de processamento de sinais [5]. A interface possibilita a visualização simultânea de dois canais de sinal de ECG ambulatorial previamente armazenado em trechos de 10 segundos, assim como os resultados dos algoritmos que fazem a segmentação do sinal (Figura 5), analisando e identificando as diferentes formas de ondas que compõe o ECG (Figura 4). Os eventos gerados pelos algoritmos de classificação também são observados em janelas gráficas identicas a da Figura 5, porém destacando o evento desejado. Para o caso das funções intervalo R-R (serie temporal da distância entre dois batimentos consecutivos) e desvio de segmento ST ao longo do tempo, o sinal observado difere do sinal ECG devido e requer uma escala temporal mais longa e de menor resolução (Figuras 6 e 7). A exibição do intervalo R-R possibilita acompanhar a elevação e a queda da frequência cardíaca instantânea (quanto maior o intervalo R-R mais baixa é a freqüência cardíaca e vice-versa). Por outro lado, o gráfico do desvio de segmento ST permite identificar os episódios isquêmicos, os quais, quando assimtomáticos, só podem ser diagnósticados via análise gráfica. Em alguns casos, obtêm-se diferenças na classificação dos canais de um mesmo registro. Assim, pode-se combinar as informações dos canais a partir da opção de fusão dos canais, o que gera resultados mais confiáveis. Uma outra funcionalidade presente nas janelas de visualização dos eventos de isquemia e dos intervalos R-R é a escolha do tamanho do bloco do sinal de modo a facilitar a interpretação dos dados. Figura 5 Visualização do traçado do sinal ECG e as ondas elementares em destaque. Figura 6 Visualização do intervalo R-R no tempo. Figura 7 Visualização do desvio do segmento ST. Discussão e Conclusões Dentre os sistemas de Telecardiologia descritos na literatura [3,9,11,13,17], há em comum a utilização de uma estação remota, localizada no domicílio do paciente, para a aquisição e o envio de seus dados vitais, e um servidor, responsável pelo gerenciamento do sistema e armazenamento dos dados dos pacientes assistidos pelo serviço. Os dados armazenados são disponibilizados a um médico especialista para o acompanhamento do
estado clínico do paciente, sobretudo em situações de emergência. Outro fator diferencial entre os sistemas de Telecardiologia está no emprego de algoritmos de auxílio ao diagnóstico médico e geração automática de alarmes, os quais possibilitam a identificação precoce de condições de emergência de pacientes [3,17]. Muitos desses sistemas compõem soluções isoladas e/ou parciais de tele-monitoramento. Embora seja um requisito fundamental em um ambiente diverso e complexo em termos de tecnologias de hardware e de software como o médico-hospitalar, o emprego de infra-estruturas de middleware (ou plataforma de serviços) sensíveis ao contexto ainda é pouco explorado nos sistemas de Telecardiologia atuais. Existe, portanto, a necessidade de um suporte arquitetural em termos de plataforma de serviços, que forneça facilidades para a concepção de uma ampla variedade de aplicações de TeleCardiologia. O sistema descrito neste trabalho constitui um exemplo dessa uma visão integrada e diferenciada do desenvolvimento de soluções para sistemas de Telecardiologia. No sistema apresentado, destacam-se a presença de um middleware sensível ao contexto para suporte à concepção e execução de aplicações de telemonitoramento, a utilização de um mecanismo diferenciado de processamento de sinais ECG e geração automática de alarmes, e uma aplicaçãopiloto de monitoramento de eletrocardiogramas. Dentre as facilidades apresentadas pelo middleware, destacam-se a possibilidade de reuso de componentes de software em aplicações diversas, interfaces padronizadas com sistemas de sensoriamento, primitivas de manipulação de bases de dados biomédicos, etc. Trabalhos futuros incluem a integração dos módulos da plataforma e o início dos testes sobre toda a cadeia, desde a aquisição do sinal à aplicação de monitoramento. Agradecimentos Os autores agradecem à FAPES pelo apoio financeiro recebido na execução desse trabalho. Referências [1] Andreão, R.V. (2004) : Segmentation de battements ECG par approache markovienne: application à la détection de ischémies. Tese de Doutorado, INT- UTT, Evry, França, 182 p. [2] Andreão, R.V., Dorizzi, B., et al (2004): ST-segment Analysis Using HMM Beat Segmentation: Application to Ischemia Detection. Computers in Cardiology, Chicago, EUA. [3] Bai, J., Zhang, Y., et al (1999): A Portable ECG and Blood Pressure Telemonitoring System. IEEE Eng. Med. Bio., vol. 18, n 4, pp. 63-70. [4] Bashshur, R. L. et al (2002): Telemedicine/ Telehealth: An International Perspective, Telemedicine Journal and e-health, vol. 8, nº 1. [5] Borges, C., Andreão, R.V. e Segatto, M.E.V. (2006): Processamento de sinais de ECG para geração automática de alarmes. Proc. Workshop de Informática Médica. Vila Velha, ES. [6] Bumachar, E., Andreão, R.V., e Segatto, M.E.V. (2006): Aquisição e transmissão sem fio de sinais ECG com uso intermitente de transceptor. Proc. Workshop de Informática Médica, Vila Velha, ES. [7] Carmo, R.R.M. (2006): Um protocolo de descoberta de serviço para sistemas sensíveis ao contexto. Dissertação de Mestrado, DI/UFES. [8] Cruz, A.O. (2006): Um estudo sobre controle de privacidade em plataformas de serviços sensíveis ao contexto. Projeto de Graduação, Curso de Ciência de Computação, UFES. [9] García, J., Martinez, I., et al (2002): Remote Processing Server for ECG-Based Clinical Diagnosis Support. IEEE Trans. Inform. Technol. Biomed., vol. 6, nº 4, pp. 277-84. [10] Gu, T. et al (2004), A Middleware for Building Context-Aware Mobile Services. Proc. of IEEE Vehicular Technology Conference, Milan, Italy. [11] Guillén, S., Arredondo, M.T., et al (2002): Multimedia Telehomecare System - Using Standard TV Set. IEEE Transactions Biomedicine Eng., vol. 49, n 12. [12] Menequini, R.S. (2006): Desenvolvimento de uma aplicação colaborativa móvel e sensível ao contexto para a plataforma Infraware. Projeto de Graduação, Curso de Ciência de Computação, UFES. [13] Pattichis, C.S., Kyriacou, E., et al (2002): Wireless Telemedicine Systems: An Overview. IEEE Antenna s and Propagation Magazine, vol. 44, n 2. [14] Pessoa R.M., Calvi, C.Z., Pereira Filho J.G., Andreão, R.V. (2006): Aplicação de um Middleware Sensível ao Contexto em Sistema de Telemonitoramento de Pacientes Cardíacos. SEMISH (CSBC 2006), Campo Grande (MS). [15] Pereira Filho, J.G., Barbosa, A.C.P., Pessoa, R.M., Calvi, C.Z. et al (2005): Arquitetura da Plataforma Infraware, Doc. Infraware/Fapes/RT-02/2005, v.2.0. [16] Pereira Filho, J.G.; Pessoa, R.M.; Calvi, C.Z. et al (2006): Infraware: Um Middleware de Suporte a Aplicações Móveis Sensíveis ao Contexto. In.: 24º Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores, Curitiba-PR, 2006. [17] Rubel, P., Gouaux, F., et al (2001): Towards Intelligent and Móbile Systems for Early Detection and Interpretation of Cardiological Syndromes. Computers in Cardiology, vol. 28, n.1. [18] TeleCardio (2005): Telecardiologia a Serviço do Paciente em Ambientes Hospitalares e Residenciais. Projeto DI/DEE/UFES, Financiamento: FAPES. Contatos Rodrigo Varejão Andreão. Depto Enga. Elétrica/UFES. Av. Fernando Ferrari s/n, Goiabeiras, Vitória, ES. Tel: (27) 3335.2077. E-mail: rodrigo@ele.ufes.br. José Gonçalves Pereira Filho e Camilo Zardo Calvi. Depto. de Informática/UFES. Av. Fernando Ferrari s/n, Goiabeiras, Vitória, ES. Tel: (27) 3335.2143. E-mail: zegonc@inf.ufes.br e camilozc@inf.ufes.br.