Desafios e Oportunidades no Desenvolvimento de Produtos

Desafios e Oportunidades no Desenvolvimento de Produtos
Eletrônicos com Software Embarcado na Área Médica
Alexandre Renato Rodrigues de Souza
Programa de Pós-graduação em Computação – Universidade Federal de Pelotas (UFPel)
Rua Gomes Carneiro, 1 - Centro - CEP 96010-610 - Pelotas - RS
[email protected]
Resumo. Este artigo descreve como as inovações tecnológicas na eletrônica e
computação podem melhorar o tratamento de pacientes. Tecnologias como
displays de cristal líquido coloridos com touchscreen, redes de comunicação sem
fio e computação ubíqua tornam a interface dos equipamentos mais intuitiva e
garantem melhor mobilidade aos profissionais de saúde dentro do ambiente
hospitalar. O trabalho apresenta as vantagens, desvantagens e desafios na
utilização destas tecnologias. Chegou-se a conclusão que seu uso torna mais
complexo o projeto de hardware e software, sendo necessário o uso de técnicas
avançadas para garantir a compatilidade eletromagnética e tornar as interfaces
destes equipamentos mais intuitivas, reduzindo assim os erros médicos.
1. Introdução
A qualidade dos serviços prestados na área da saúde no Brasil, principalmente em
instituições públicas, é precária. As instituições de saúde no país têm dificuldade de
comportar a crescente demanda por este tipo de serviço. Os resultados são hospitais
lotados, profissionais sobrecarregados e frequentes erros médicos. Estima-se que no país
cerca de 5% da população seja vítima de erros médicos, gerando gastos na ordem de
US$500 milhões para a Previdência Social [Macri et al. 2004].
Outro problema frequente no Brasil, assim como nos demais países emergentes,
é que muitos dos profissionais que operam os equipamentos eletromédicos não possuem
uma qualificação adequada. Portanto, pode-se facilmente concluir que a interface de
operação usada nos equipamentos de instituições de saúde de países desenvolvidos
muitas vezes não é adequada para uso aqui. Uma interface amigável, simples e intuitiva
pode trazer diversas melhorias, como a redução de erros de uso e operação mais rápida
destes equipamentos.
O uso adequado das novas tecnologias de computação e eletrônica poderão
trazer mais eficiência ao uso dos equipamentos eletromédicos. Este incremento na
eficiência resulta em mais segurança ao paciente e torna a rotina dos profissionais de
saúde mais dinâmica e otimizada. Como benefícios diretos, teremos maior qualidade
nos serviços prestados ao paciente, reduzindo o tempo de internação e tornando os
médicos e enfermeiros mais satisfeitos [Cassiani, Gimenes e Monzani 2009].
Estamos em uma época de rápido avanço tecnológico da comunicação móvel, da
computação embarcada e miniaturização dos dispositivos e sensores eletrônicos. A
aplicação destas tecnologias na área médica poderá trazer diversos benefícios aos
pacientes e otimizar a prestação de serviços dos profissionais da saúde. Ao mesmo
tempo, os requisitos para atendimento às normas de certificação para comercialização
de produtos eletrônicos na área médica estão cada vez mais rigorosos.
Devido à legislação vigente, a certificação de equipamentos para uso na área
médica é compulsória. Os equipamentos eletromédicos com marcação CE que utilizam
software embarcado têm que estarem adequados às normas IEC 60601-1-4
(Equipamento eletromédico - Parte 1-4: Prescrições gerais para segurança - Norma
colateral: Sistemas eletromédicos programáveis) e IEC 60601-1-6 (Equipamento
eletromédico - Parte 1-6: Requisitos gerais para segurança básica e desempenho
essencial - Norma colateral: Usabilidade). A norma IEC 60601-1-4 descreve os
requisitos para a segurança de softwares e sistemas programáveis. A IEC 60601-1-6
descreve os requisitos para o processo de análise, projeto, verificação e validação de
usabilidade, bem como a sua relação com a segurança do equipamento.
Portanto, um grande desafio dos desenvolvedores de firmware é criar softwares
que atendam a um grau de segurança que não coloque os pacientes em risco. Apesar dos
riscos de falhas serem inerentes à qualquer equipamento que utilize hardware e
software, a mitigação dos mesmos deve fazer parte de todo o plano de projeto. O
atendimento aos requisitos destas normas objetivam tornar os riscos resultantes
aceitáveis no uso normal e nos erros de uso de eletromédicos. Desse modo, é essencial
que os projetistas invistam em um bom design de interface com o usuário, tornando-a o
mais intuitiva possível e reduzindo ao máximo problemas de interpretação que podem
ocasionar erros de operação dos equipamentos.
O objetivo geral deste artigo é contextualizar sobre as diversas oportunidades de
aplicação dos avanços da computação e eletrônica na área médica para melhorar o
atendimento nas instituições de saúde. Pretende-se explorar as possibilidades do uso das
tecnologias de comunicação sem fio, displays coloridos sensíveis ao toque, dispositivos
eletrônicos portáteis e computação ubíqua. Também objetiva-se esclarecer sobre os
principais desafios no uso destas tecnologias em relação ao atendimento aos requisitos
normativos, os quais são obrigatórios para comercialização de produtos eletrônicos na
área médica no Brasil.
2. Estado da Arte e Trabalhos Relacionados
A evolução da medicina vem sendo acompanhada pela crescente complexidade dos
equipamentos eletromédicos (EEM). Contudo, o aumento da complexidade dos EEM
traz como consequência um aumento significativo dos erros de operação no uso da
tecnologia. Nos EUA, um estudo feito com base em 1300 notificações de incidentes
com desfibriladores indicou que a maioria das falhas de desfibriladores acontecem por
causa de erros de operação do equipamento [Florence e Calil 2005].
Segundo Cassiani, Gimenes e Monzani (2009), o uso adequado dos avanços
tecnológicos nos cuidados ao paciente é fundamental para a mitigação de erros médicos,
trazendo mais segurança e qualidade aos serviços prestados aos pacientes. A análise de
custo-benefício para implantação destas tecnologias deve também levar em
consideração os ganhos com a redução dos erros médicos. Segundo o Instituto de
Medicina da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos, o custo financeiro
anual oriundo dos erros médicos neste país fica em torno de US$ 17 a 29 bilhões [Kohn,
Corrigan, Donaldson 2000]. Não há pesquisas específicas sobre o assunto no Brasil,
mas alguns estudos apontam que as denúncias de erros médicos estão crescendo nos
últimos anos [Bitencourt et al. 2007].
Fennigkoh e Haro (2009), dizem que o uso seguro e adequado de equipamentos
médicos pode ser dramaticamente melhorado quando se leva em consideração, desde o
início do projeto, os conceitos de fatores humanos. Os custos incrementais para fazer
isso são muitas vezes insignificantes, mas o retorno pode ser enorme. Desta forma se
obtém resultados como a melhoria da satisfação do usuário, redução dos erros de
operação e a mitigação de efeitos adversos ao paciente. O desenvolvimento contínuo de
novas e poderosas tecnologias em soluções de software e hardware pode ajudar a tornar
o ambiente hospitalar mais seguro, inteligente e otimizado. O uso de tecnologia com
uma abordagem dos fatores humanos no desenvolvimento de produtos médicos resulta
em equipamentos mais confiáveis e intuitivos.
De acordo com Roque (2009), os equipamentos médico-hospitalares devem ser
seguros em relação a choques elétricos, imunidade a descargas eletrostáticas,
aquecimento excessivo que podem causar queimaduras nos pacientes ou operadores,
erros de operação causados por interferências elétricas oriundas de meios conduzidos ou
radiados, erros de interpretação devido a interfaces complicadas ou confusas, dentre
outros diversos problemas. Para comercializar equipamentos eletromédicos no Brasil é
obrigatório obter um registro na ANVISA (Agência Nacional de Vigilância Sanitária).
Para isto, a ANVISA exige que o fabricante do produto obtenha um certificado de
conformidade técnica emitido por um organismo acreditado pelo INMETRO (OCP –
Organismo de Certificação de Produtos). A certificação irá comprovar, através de
diversos tipos de ensaios em laboratórios credenciados, que o equipamento
eletromédico atende a requisitos técnicos normativos de segurança elétrica, operação,
documentação, produção e funcionalidade. É importante que, tanto os fabricantes
quanto os profissionais da saúde, compreendam que o compromisso com a qualidade
técnica dos equipamentos utilizados no cuidado com vidas humanas também é uma
forma de promover a saúde. Além de realizar um planejamento importante para os
investimentos em tecnologias, todo profissional médico precisa ter em mente que exigir
a qualidade técnica certificada dos produtos adquiridos é assegurar a qualidade do
próprio trabalho.
3. Descrição do Trabalho Desenvolvido
Atualmente os profissionais da saúde se deparam com equipamentos eletromédicos cada
vez mais complexos. O grande número de recursos e opções destes equipamentos torna
muitas vezes sua operação confusa e mais susceptível a erros. Um grande desafio para
os desenvolvedores é aplicar os aprimoramentos científicos das áreas de eletrônica e
computação de forma adequada, tornando a operação dos equipamentos eletromédicos
mais intuitiva, eficaz e segura.
Nesta seção serão discutidos os vários aspectos da aplicação dos novos avanços
tecnológicos no desenvolvimento de produtos eletrônicos com software embarcado na
área médica. Serão abordadas as tecnologias de displays de cristal líquido, redes sem fio
e computação ubíqua.
A utilização de avanços tecnológicos como telas coloridas de cristal líquido
(LCD - Liquid Crystal Display) de alta resolução e sensíveis ao toque (touch screen)
pode tornar a interface homem-máquina mais simples e intuitiva. Com a aplicação
destes displays, as interfaces destes equipamentos deixam de ser apenas textuais e
passam a contar com recursos mais intuivos para o operador, tais como gráficos, botões,
imagens, ícones, janelas, barras de rolagem, entre outros.
O uso de displays de cristal líquido com tecnologia touch screen trazem
inúmeras vantagens para o operador. A interface de operação se torna mais intuitiva,
trazendo mais agilidade no acesso às funções do equipamento. Também não há
necessidade de botões mecânicos, pois as opções são acessadas diretamente na tela.
Devido ao uso cada vez maior desta tecnologia em telefones celulares e tablets, a
tendência é que os operadores já estejam familiarizados com este recurso. Com o uso de
displays com a tecnologia capacitiva é possível o uso com as mãos nuas, sujas ou
mesmo com luvas. Esta possibilidade otimiza a operação do equipamento no ambiente
hospitalar. Além disso, a tecnologia LCD possui baixo consumo de energia, permitindo
seu uso em equipamentos portáteis/movéis que usam baterias.
No entanto os displays de cristal líquido com touch screen também possuem
algumas desvantagens, as quais devem ser consideradas durante o projeto de um novo
equipamento eletromédico. O alto preço de displays grandes e de alta resolução pode
inviabilizar o seu uso em produtos onde a margem de lucro é reduzida. Outro problema
que surge com o uso desta tecnologia é a tela estar constantemente suja, devido ao uso
dos dedos sobre a mesma. No caso de equipamentos portáteis, devido a sua constante
movimentação, são comuns as ocorrências de riscos e batidas na tela, as quais podem
danificar o display. Para compensar a ausência de um feedback mecânico ao usuário, é
recomendável o uso de sinais sonoros para indicar que a seleção da opção foi
reconhecida. Outra limitação dos displays LCD é seu estreito ângulo de visão,
dificultando a visualização das informações na tela de algumas posições.
Assim como os novos recursos presentes nos displays atuais trouxeram grandes
avanços na forma do operador interagir com o equipamento, o aprimoramento da
comunicação sem fio expandiu as possibilidades de monitoramento e controle remotos
dos dispositivos eletromédicos. O uso destas tecnologias permite o desenvolvimento de
novas soluções para ampliar a mobilidade dos profissionais de saúde e, ao mesmo
tempo, garante a possibilidade de se manter informado sobre o status dos equipamentos
eletromédicos que estão sob sua responsabilidade.
O rápido avanço nas tecnologias de comunicação sem fio (Mesh, WiGig,
RONJA, WiMAX, Wi-Fi, Bluetooth, 3G, IrDA, entre outras), também conhecidas pelo
anglicismo wireless, tem trazido diversas oportunidades de melhorias nos equipamentos
eletromédicos. Este recurso permite que o equipamento possa se comunicar com outros
dispositivos médicos, computadores, centrais de monitoramento ou diretamente com os
profissionais de saúde através de dispositivos móveis (celulares, PDAs, tablets, entre
outros). Paralelamente a isto, a miniaturização de dispositivos eletrônicos móveis, a
maior eficiência de baterias e a redução de consumo de energia dos semicondutores
potencializaram o desenvolvimento de inúmeras soluções inovadoras através da
computação ubíqua (o termo usado para descrever a onipresença da informática no
cotidiano das pessoas).
Os profissionais de saúde que trabalham no ambiente hospitalar possuem uma
rotina onde é essencial a mobilidade. Um dos grandes desafios na melhoria dos serviços
prestados neste ambiente está em disponibilizar as informações geradas pelos
equipamentos médico-hospitalares sem prejudicar esta mobilidade, permitindo também
seu controle à distância.
O uso da computação ubíqua no ambiente hospitalar pode tornar a interação
entre os profissionais de saúde e os equipamentos médicos mais dinâmica e eficiente.
Este avanço é possível através da interpretação pelos sistemas eletromédicos das formas
naturais de comunicação dos humanos: fala, movimentos de membros do corpo
humano, gestos e contexto. Quanto mais natural for a interface entre a máquina e o
homem, mais otimizados se tornarão os serviços prestados pelos estabelecimentos de
saúde, trazendo diversos benefícios para os profissionais e para os pacientes.
Para os profissionais de saúde, um dos grandes benefícios trazidos pela
computação ubíqua é a menor carga de tarefas e redução da carga cognitiva, trazendo
maior satisfação pelo trabalho e melhor qualidade de vida. Os pacientes ganham com a
redução dos erros médicos, melhores resultados no tratamento da saúde e
consequentemente a redução do tempo de internação.
Para preservar a mobilidade dos profissionais de saúde estão sendo
desenvolvidas aplicações utilizando a abordagem follow me, onde as informações
geradas pelos equipamentos médicos seguem os operadores, acompanhando o seu
deslocamento através de dispositivos móveis. Conforme a localização destes
dispositivos se altera, é necessário a adaptação automática das configurações destes
dispositivos de acordo com as alterações da rede de acesso às informações. Estas
aplicações também deverão considerar os perfis, preferências e as alterações de contexto
oriundas do deslocamento dos profissionais de saúde.
4. Descrição dos Resultados Atingidos
O objetivo deste trabalho consiste em identificar os diversos desafios na aplicação das
tecnologias de displays de cristal líquido, redes sem fio e computação ubíqua no
desenvolvimento de produtos eletrônicos com software embarcado na área médica.
Existem diversos desafios no uso de displays de cristal líquido com tecnologia
touch screen. Seu uso implica em maior complexidade no projeto de hardware para
permitir a certificação do equipamento conforme as normas vigentes. Muitos destes
displays possuem barramentos de dados paralelos, o que torna mais difícil a adequação
do equipamento durante os ensaios de compatibilidade eletromagnética. Os barramentos
tendem a emitir mais ruídos eletromagnéticos (maior emissividade) e também a serem
mais suceptíveis a interferências (menor imunidade). Para melhorar a compatibilidade
deve-se usar componentes especiais para redução da interferência gerada e melhoria da
imunidade, tais como ferrites, capacitores de desacoplamento, diodos rápidos para
proteção ESD, filtros de linha, ferrites para cabos, supressores de transientes,
centelhadores (spark gaps), feedthru, isoladores óticos, entre outros). Também deve-se
elaborar o projeto da placa de circuito impresso utilizando técnicas de layout para
melhorar a compatibilidade.
Para garantir a produção de qualquer equipamento é necessário o uso de
componentes que tenham fácil aquisição no mercado. Um desafio do uso de displays
LCD é garantir a continuidade de fornecimento, já que os fabricantes não mantém um
determinado modelo por muito tempo no mercado, fazendo-se necessário constantes
adequações do produto aos novos part numbers.
Os displays usados nos equipamentos precisam ter tamanhos adequados para que
o operador possa acessar facilmente as opções na tela, pois as mesmas são acessadas
através de botões virtuais. Como muitos equipamentos não possuem o espaço adequado
para comportar o tamanho necessário para o display, em algumas situações o uso de
displays touchscreen torna-se inviável.
Como os displays coloridos e de alta resolução custam caro, o layout da
interface precisa ser melhor elaborado para compensar o investimento, sendo
recomendável que o trabalho seja feito por um professional em design. O uso de
displays com estas características trazem mais complexidade no desenvolvimento do
firmware do equipamento: a atualização das informações no display é lenta, uso de
complexas rotinas para varredura da tela, apresentação de fontes de caracteres de
diversos tipos e tamanhos, grande número de cores, possibilidade de rolagem de tela e
recursos gráficos avançados. O uso de recursos gráficos mais elaborados (grande
número de cores, alta resolução e recursos multimídia) também exige o uso de
processadores mais rápidos e avançados, aumentando ainda mais o custo final do
equipamento.
A utilização da computação ubíqua na área médica potencializa a qualidade dos
cuidados médicos e reduz custos, mas também traz diversos desafios devido ao uso da
comunicação sem fio no ambiente hospitalar.
Uma das grandes preocupações dos desenvolvedores é a disponibilidade de
banda em redes sem fio no ambiente hospitalar. A sobrecarga da banda deste tipo de
rede é comum quando os equipamentos são conectados através de uma conexão wireless
e a mesma é compartilhada para acesso aos demais serviços de TI (internet,
transferência de arquivos, telefonia, impressão, entre outros). As variações na demanda
da rede podem interromper ou tornar lenta a transferência de sinais vitais ou alertas de
emergência. Uma solução para este problema é utilizar uma rede exclusiva para a
comunicação de dados dos equipamentos eletromédicos, garantindo assim um
dimensionamento mais preciso e um melhor controle sobre o uso da banda.
Devido a grande mobilidade dos profissionais de saúde, para garantir uma boa
cobertura de uma rede sem fio, há necessidade de um projeto complexo para
posicionamento dos access points. Como muitos dos hospitais possuem diversos
andares e inúmeras salas, a quantidade de access points pode acabar sendo inviável em
termos de custo-benefício. Deste modo, em alguns casos, acaba-se optando por uma
cobertura parcial do ambiente hospitalar.
As redes sem fio também podem gerar interferências elétricas nos equipamentos
de suporte à vida, podendo colocar os pacientes em risco. Portanto é imprescindível que
os equipamentos utilizados para formar a rede sejam de alta qualidade e que estejam de
acordo com as normas vigentes de compatibilidade eletromagnética. As normas usadas
para certificar os equipamentos médicos são exigentes em relação ao grau de imunidade
e emissividade. Porém, como os equipamentos de informática não são certificados com
os mesmos critérios, pode-se ter problemas de geração de interferências a níveis de
potência muito elevado ou mesmo a frequências nas quais os equipamentos
eletromédicos não sejam imunes.
Ao se fazer uso de redes sem fio deve-se também levar em consideração a
privacidade e segurança dos dados, gerenciamento de energia dos dispositivos móveis,
gerenciamento de prioridade dos dados a serem transmitidos, atrasos nos alertas clínicos
e garantia de conexão para transmissão de dados de emergência.
5. Conclusões
Como pode-se observar através deste artigo, a evolução tecnológica trazida pelas
constantes inovações nas áreas de computação e eletrônica embarcada trazem inúmeras
possibilidades de avanços no desenvolvimento de equipamentos eletromédicos.
Recursos como comunicação sem fio, maior autonomia das baterias dos equipamentos
móveis e displays coloridos nos permitem desenvolver equipamentos cada vez mais
eficientes, seguros e de fácil interação.
O uso destes recursos traz grandes benefícios aos profissionais de saúde, que
monitoram e controlam os equipamentos eletromédicos, e aos pacientes. Através de
interfaces mais intuitivas e conexão remota, os pacientes se beneficiam com menos
erros médicos, melhores cuidados e mais eficiência em seus tratamentos. Os
profissionais de saúde têm sua rotina de trabalho mais otimizada, reduzindo suas tarefas
e ganhando melhor qualidade de vida.
Todo este avanço tecnológico também traz diversos desafios para o
desenvolvimento desta nova geração de equipamentos. Devido a grande proliferação de
dispositivos que utilizam redes sem fio, o projeto de hardware deve levar em
consideração as melhores metodologias para garantia da compatibilidade
eletromagnética, reduzindo a emissividade e aumentando a imunidade a interferências.
No projeto de software deve-se utilizar profissionais especialistas em desenvolvimento
de interfaces, garantindo assim a elaboração de telas, menus e opções mais intuitivas
para os operadores.
Pode-se concluir, portanto, que quanto maior a utilização de recursos
tecnológicos avançados, mais complexo é o projeto de hardware e software. Para
garantir o desenvolvimento de equipamentos mais seguros e eficazes, é necessário uma
equipe bem qualificada, que domine as melhores técnicas de projeto para
desenvolvimento de produtos. Portanto, investimentos em treinamento, pesquisa e
inovação de produtos são indispensáveis para tornar isto possível.
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