Medicina Ubíqua - Servidor UBIQ - Universidade Federal de Pelotas
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Capítulo 1 Medicina Ubíqua Alexandre Renato Rodrigues de Souza Resumo A computação ubíqua tem como objetivo incorporar os dispositivos computacionais no cotidiano das pessoas, de tal forma que a interação entre os mesmos seja feita de maneira natural e imperceptível. Para isto estes dispositivos precisam interpretar as formas naturais de comunicação dos humanos e fazer a captura do contexto. Alguns dos grandes benefícios possibilitados pela computação ubíqua para os profissionais de saúde são a redução da carga cognitiva e a menor carga de tarefas, 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. Este texto irá fazer uma breve introdução à computação ubíqua e medicina ubíqua. Também serão apresentadas algumas das diversas pesquisas que têm sido feitas com o objetivo de desenvolver arquiteturas de software para otimizar a rotina dos profissionais de saúde utilizando os conceitos da computação ubíqua. 1.1. Introdução à Computação Ubíqua O termo Computação Ubíqua foi usado pela primeira vez em 1988 por Mark Weiser (1952-1999), quando o mesmo era o diretor de tecnologia do Centro de Pesquisa da Xerox em Palo Alto (PARC). Mark descreveu a computação ubíqua como sendo uma tecnologia que seria desenvolvida no futuro, onde computadores estariam incorporados no cotidiano das pessoas, de tal forma que a interação entre os mesmos seria feita de maneira natural e imperceptível [Weiser 1991]. A Computação Ubíqua também é chamada de Tecnologia Tranquila (Calm Tecnhology), Inteligência Ambiente (Inteligence Ambient), Computação Pró-ativa (Proactive Computing), Internet das Coisas (Internet of Things) e Computação Invisível (Invisible Computing) entre outras denominações. No entanto, os termos Computação Pervasiva e Computação Ubíqua são os mais utilizados [Yamin et al. 2008]. Para se conseguir que a interação entre os computadores e os humanos se torne invisível, é necessário que este dispositivos interpretem as formas naturais de comunicação dos humanos e façam a captura do contexto. Para isto os computadores deverão interpretar a fala, movimentos corporais (dedos, cabeça, braços, entre outros), gestos, olhar e expressões faciais. A captura do contexto se refere a possibilidade dos computadores terem seu comportamento adaptado de acordo com o ambiente, tendo portanto consciência da localização e situação a que estiverem inseridos [Yamin et al. 2008]. Os termos computação móvel, computação pervasiva e computação ubíqua possuem conceitos diferentes, embora sejam muitas vezes usados como sinônimos [Araujo 2003]. A computação móvel se refere a capacidade de acesso aos serviços computacionais de qualquer lugar através da disponibilidade permanente de rede sem fio, aumentando a mobilidade das pessoas. Nesta definição existe a necessidade de que os usuários configurem manualmente a aplicação, adaptando a mesma a medida que se movem para se ajustar a mudança de ambiente. O termo computação pervasiva se refere ao fato de que inúmeros serviços computacionais estão inseridos no ambiente de forma invisível aos usuários. Neste conceito os computadores se adaptam dinamicamente ao ambiente (adaptação consciente do contexto) para melhor atender às necessidades do usuário. Deste modo é necessário que os computadores detectem os outros dispositivos e serviços computacionais que também estiverem presentes no ambiente em que estão inseridos. O termo ‘pervasivo’ não existe ainda na Língua Portuguesa, mas pode ser interpretado como espalhado, integrado, universal [Yamin et al. 2008]. A computação ubíqua é a integração entre os dois conceitos anteriores, aliando os inúmeros dispositivos computacionais inseridos no ambiente da computação pervasiva com o alto grau de mobilidade da computação móvel. As aplicações se ajustam ao ambiente a medida que os usuários se movem, adaptando seus serviços de forma inteligente conforme a necessidade. No ambiente estão inseridos de forma invisível ao usuário inúmeros dispositivos computacionais móveis e fixos, conectados entre si. O termo ‘ubíquo’ existe na Língua Portuguesa e significa onipresente [Yamin et al. 2008]. A diferenciação entre os termos computação pervasiva e ubíqua é fundamentada no fato de que um dispositivo que está inserido em um ambiente não possui obrigatóriamente mobilidade, conforme mostra a Figura 1.1 [Araujo 2003]. Figura 1.1. Relação entre Computação Ubíqua, Pervasiva e Móvel A seguir serão definidos alguns dos termos utilizados na computação ubíqua, tais como sensibilidade ao contexto, semântica siga-me e framework. Também serão apresentadas as principais tecnologias para conectividade em ambientes ubíquos. 1.1.1. Sensibilidade ao Contexto Segundo Anind K. Dey [Dey 2000], “Contexto é qualquer informação que pode ser usada para caracterizar uma situação de uma entidade. Uma entidade é uma pessoa, um lugar, ou um objeto que é considerado relevante para a interação entre um usuário e uma aplicação, incluindo o próprio usuário e a própria aplicação”. A Sensibilidade ao Contexto ou Ciência de Contexto (context-aware) é uma tecnologia baseada em informações contextuais com o objetivo de apresentar dados relevantes aos usuários de sistemas computacionais. Alguns exemplos de informações contextuais são: localização e identificação do usuário, tipo de dispositivo computacional que está sendo usado, pessoas próximas, horário, entre outros. A sensibilidade ao contexto permite que as aplicações se adaptem conforme a situação que está inserida, personalizando-se automaticamente para obter o melhor resultado possível. Este recurso reduz a sobrecarga de informações, mostrando ao usuário somente o que é relevante [Moraes et al. 2009]. Através da sensibilidade ao contexto a aplicação fornece informações relevantes a cada situação ou atividade a qual o usuário se encontra, reduzindo sua carga cognitiva pela redução da necessidade constante de atenção e intervenções. Alguns dos desafios para desenvolvimento de uma aplicação com suporte à sensibilidade ao contexto são [Venecian 2010]: • caracterização dos elementos de contexto para uso na aplicação; • aquisição do contexto a partir de fontes heterogêneas, tais como sensores físicos, base de dados, agentes e aplicações; • representação de um modelo semântico formal de contexto; • processamento e interpretação das informações de contexto adquiridas; • disseminação do contexto a entidades interessadas de forma distribuída e no momento oportuno; • tratamento da qualidade da informação contextual. 1.1.2. Semântica siga-me As aplicações pervasivas consideram a mobilidade física (dispositivos e usuários) e lógica (componentes da aplicação e serviços). Devido a estas características, as aplicações deverão possuir suporte a conexões de rede que podem ocorrer de qualquer posição geográfica (usuários nômades). Deve-se também levar em consideração que estas conexões possuem comunicação intermitente, já que, devido as condições operacionais do ambiente móvel, é comum que ocorram desconexões frequentes [Yamin 2004]. A semântica siga-me (follow me applications) permite que o usuário acesse seu ambiente computacional de qualquer localização, momento ou meio de acesso, de forma transparente [Augustin and Yamin 2005]. Portanto, independente onde o usuário estiver e mesmo em movimento, poderá executar suas aplicações através de um ambiente virtual. O código destas aplicações são enviados sob demanda e acessados independentemente do dispositivo computacional que o usuário estiver usando [Yamin 2004]. 1.1.3. Framework Existem diversos projetos de frameworks para aplicações em computação ubíqua. Neste seção será definido o conceito de framework, suas características, benefícios e principais desafios de desenvolvimento. Frameworks são códigos reutilizáveis de uma parte ou de todo um sistema de software. Estes códigos são descritos por um conjunto de classes abstratas. O projeto de software é normalmente composto de componentes e conexões para que as instâncias destas classes colaborem entre si [Johnson and Foote 1988]. O framework é portanto uma aplicação praticamente completa, onde o programador irá desenvolver os códigos específicos para a sua aplicação. As classes são abstratas porque não possuem implementação, pois serão completadas para cada aplicação específica que será desenvolvida [Erich Gamma 2003]. O uso de frameworks pode reduzir significativamente o custo de desenvolvimento de um software, já que grande parte do código já foi desenvolvido e será reutilizado para o desenvolvimento da nova aplicação. O esforço para o desenvolvimento de novas aplicações é reduzido, já que somente serão criados códigos para atender as particularidades destes novos softwares. Os frameworks usam programação orientada a objetos e reunem códigos e bibliotecas de diversas linguagens em um ambiente único. Isto torna possível o uso da linguagem de programação mais adequada para a funcionalidade desejada. A arquitetura criada é flexível e expansível, com o objetivo de criar soluções para problemas comuns. Os frameworks trazem diversas vantagens no processo de desenvolvimento de códigos de software, tais como maior produtividade, padronização, redução no custo de desenvolvimento de novas aplicações, redução do tempo para lançamento de novas aplicações (time-to-market), menos erros de software devido ao uso em várias aplicações (os bugs foram descobertos e corrigidos anteriormente), maior compatibilidade e consistência entre aplicações, entre outros. Entre os grandes desafios do desenvolvimento de frameworks está a maior complexidade em seu projeto e codificação, a reusabilidade do código deve ser muito bem planejada e os benefícios de sua criação vem a longo prazo. Para o seu desenvolvimento é necessário vasta experiência no uso de boas práticas de codificação e documentação de software, sendo requisito básico uma equipe altamente qualificada. Devido ao contínuo desenvolvimento de dispositivos móveis, atualmente podemos encontrar uma grande variedade de modelos deste tipo de equipamentos. Como a maior parte dos recursos disponíveis nestes dispositivos são semelhantes, a maior parte dos códigos criados para um modelo pode ser usado em diversos outros. O uso de frameworks no desenvolvimento das aplicações reduz significativamente o trabalho necessário para a criação destes softwares, pois grande parte dos códigos podem ser reaproveitados de outros projetos. 1.1.4. Tecnologias para conectividade Como visto anteriormente, a computação ubíqua exige a comunicação o tempo todo e em qualquer lugar, tornando a conectividade um aspecto chave deste conceito. O rápido avanço nas tecnologias de comunicação sem fio, também conhecidas pelo anglicismo wireless, tem trazido diversas oportunidades para ampliar a conectividade e colocar a ubiquidade em prática. Pode-se classificar as tecnologias de rede sem fios em três grandes classes: curta, média e longa distância. Os sistemas de computação ubíqua são estruturados através destas classes de rede, possibilitando assim a conectividade a qualquer distância [Araujo 2003]. As redes de longa distância são utilizadas pelos serviços de comunicação pessoal. As redes dos sistemas celulares que operam em bandas de alta frequência fazem parte desta classe. As redes de curta e média distância (tais como o Bluetooth, ZigBee e Wi-Fi) foram desenvolvidas para permitir a conectividade entre dispositivos de forma invisível ao usuário. Este tipo de classe é usado por exemplo para a comunicação sem fio entre um computador e seus periféricos (impressora, mouse, teclado, entre outros), reduzindo assim o grande número de cabos. A seguir estão descritas algumas das principais tecnologias de redes usadas atualmente que suportam a conectividade entre dispositivos: • Wi-Fi (802.11) - A tecnologia Wi-Fi (Wireless Fidelity), desenvolvida pela IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), foi rapidamente aceita como solução para redes corporativas sem fio. A Wi-Fi utiliza a faixa de frequência ISM de 2,45GHz, possui alcance de até 300 metros (pode ser maior em áreas abertas) e possui taxas de transmissão de dados superiores a 11 Mbps. • Bluetooth - A tecnologia Bluetooth foi desenvolvida a partir do ano de 1998 através da parceria entre a Ericsson, Intel, Toshiba, Nokia e IBM com o objetivo de especificar um padrão mundial aberto para a conexão sem fio entre dispositivos de telecomunicações e de computação. A comunicação pode ser feita com dois ou mais dispositivos através da faixa de frequência ISM 1 . A comunicação é onidirecional, suporta transmissões síncronas e assíncronas, aceita taxas de transferência de dados de até 1 Mbps e possui um alcance de 10 m [Araujo 2003]. • IrDA (Infravermelho) - A tecnologia IrDA (Infrared Data Association) suporta apenas conexões ponto-a-ponto a distâncias menores que 1 m, com velocidades de até 16 Mbps. O ângulo de visão entre o transmissor e o receptor é de 30 graus). A comunicação deve ser feita através de uma linha direta de visão, sem obstáculos, 1 ISM (Industrial, Scientific and Medical) é a banda de radiofrequência situada na faixa entre 2,4000 GHz a 2,4835 GHz). Os equipamentos que funcionam na banda ISM não dependem de licenças para operação, mas compartilham seu uso com outros dispositivos de comunicação não compatíveis com a tecnologia Bluetooth, tais como portões automáticos, babás eletrônicas, telefones sem fio. pois os raios infravermelhos não atravessam objetos [Araujo 2003]. Foram desenvolvidos vários tipos de IrDA, tais como: SIR (Serial Infrared): padrão original, velocidade de 115 Kbps; MIR (Medium Infrared): velocidade de 1.152 Mbps, não foi implementado amplamente; FIR (Fast Infrared): velocidades de até 4 Mbps, utilizado na maioria dos novos computadores; VFIR (Very Fast Infrared): velocidades de até 16 Mbps, ainda não implementado amplamente. 1.2. Medicina Ubíqua 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]. O uso adequado das novas tecnologias de computação e eletrônica poderão trazer mais eficiência ao uso dos equipamentos eletromédicos. Esta 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 et al. 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. Um grande desafio dos desenvolvedores de firmware 2 é criar softwares que atendam a um grau de segurança que não coloque os pacientes em risco. Apesar dos riscos de falhas serem inerentes a 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. Portanto, 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 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 [Cassiani et al. 2009]. 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 2 Firmware é o conjunto de instruções operacionais programadas diretamente no hardware de um equipamento eletrônico. torno de US$ 17 a 29 bilhões [Corrigan et al. 2009]. 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]. 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 podem 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 [Fennigkoh and Haro 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. O aprimoramento da comunicação sem fio (wireless) expandiu as possibilidades de monitoramento e controle remotos dos dispositivos eletromédicos. O uso desta tecnologia cria oportunidades de desenvolvimento de novas soluções para ampliar a mobilidade dos profissionais de saúde, permitindo que os mesmos se mantenham informados sobre o status dos equipamentos eletromédicos que estão sob sua responsabilidade. A comunicação sem fio tem trazido diversas melhorias nos equipamentos eletromédicos. Através dela estes dispositivos podem se comunicar com outros equipamentos médicos, computadores, centrais de monitoramento ou diretamente com os profissionais de saúde através de dispositivos móveis (celulares, PDAs - Personal Digital Assistant, 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. 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 médicos 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. Alguns dos grandes benefícios possibilitados pela computação ubíqua para estes profissionais são a redução da carga cognitiva e a menor carga de tarefas, 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 siga-me (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 necessária a adaptação automática de suas configurações de acordo com as alterações da rede de acesso às informações. Estas aplicações também consideraram os perfis, preferências e as alterações de contexto oriundas do deslocamento dos profissionais de saúde. 1.2.1. Erros médicos Os hospitais têm se tornado ambientes cada vez mais complexos, onde é uma rotina diária o uso de equipamentos e procedimentos de alto risco à vida dos pacientes. Devido as estas características são comuns os efeitos adversos ao paciente causados por erros médicos. O erro médico pode ser definido como a falha ao não concluir como previsto uma ação planejada ou o uso de um plano errado para atingir um determinado objetivo. Os erros mais comuns são falhas nos sistemas, processos e condições que permitem que as pessoas errem ou falhem em não prevení-los [Corrigan et al. 2009]. Dois grandes estudos que analisaram as instituições de saúde dos Estados Unidos identificaram que ao menos 44 mil pessoas morrem nos hospitais a cada ano devido a erros médicos que poderiam ser evitados. Este número ultrapassa as mortes atribuídas a AIDS, câncer de mama e acidentes de trânsito. Além das vidas perdidas, estes erros representam um custo neste país entre 17 e 29 bilhões de dólares, incluindo os gastos em cuidados adicionais devido aos erros e produtividade familiar [Corrigan et al. 2009]. O processo de terapia medicamentosa no ambiente hospitalar é altamente complexo e muito vulnerável a falhas que podem ocorrer em alguma de suas várias etapas: prescrição, transcrição, dispensação, distribuição, preparo, administração e monitorização. O uso da tecnologia pode trazer mais segurança através da simplificação e padronização deste processo, evitando assim muito dos erros médicos que podem ocorrer durante todo o ciclo do tratamento medicamentoso. Deve-se introduzir verificações em diversas fases do processo com o objetivo de identificar falhas antes que elas cheguem ao paciente [Cassiani et al. 2009]. Estas verificações podem ser feitas para garantir os chamados Seven Rights da terapia medicamentosa: • droga correta: garantir que o medicamento a ser administrado está correto; • paciente correto: garantir que o medicamento será administrado ao paciente correto; • dose correta: garantir que a quantidade de medicamento está correta; • tempo correto: garantir que o momento de administrar o medicamento está correto; • via correta: garantir que o medicamento será aplicado no acesso correto correto (intravenoso, subcutâneo, interósseo/medula óssea, inalação, enteral, transdérmico, intramuscular); • motivo correto: garantir que o medicamento será administrado pelo motivo correto; • documento correto: garantir que a prescrição está correta; Dentre as diversas possibilidades de tecnologias que podem ser aplicadas a este processo, podemos citar a prescrição médica eletrônica, código de barras, etiquetas RFID e bombas de infusão inteligentes. A prescrição eletrônica é um sistema computadorizado usado pelo médico para receitar medicamentos aos pacientes. O uso deste recurso evita problemas de interpretação devido a rasuras ou caligrafia ilegível, incompatibilidade entre medicamentos e pode informar quanto às alergias do paciente a uma determinada droga. O uso de códigos de barras e etiquetas RFID podem ser usados para identificar operadores dos eletromédicos, pacientes, medicamentos e prescrições. As bombas de infusão inteligentes (Smart Pumps) são equipamentos eletromédicos usados para administração de medicamentos, as quais possuem alertas que informam quando a programação incorreta de doses de medicamentos [Cassiani et al. 2009]. Com o uso dos princípios de fatores humanos no projeto de equipamentos médicos é possível reduzir ou até mesmo eliminar a maioria dos erros médicos relacionados a operação deste tipo de dispositivos. Esta área científica é altamente interdisciplinar e tem como objetivo identificar e resolver as deficiência no uso de dispositivos, levando em consideração os aspectos humanos e as características inerentes ao ambiente hospitalar. Os estudos estão fortemente baseados nos princípios oriundos de pesquisas sobre a psicologia cognitiva, os quais tentam entender os processos mentais relacionados com o comportamento dos seres humanos [Fennigkoh and Haro 2009]. A cognição é a forma de como o cérebro percebe, aprende, recorda e pensa sobre todas as informações captadas através dos sentidos humanos (tato, olfato, audição, paladar e visão). Alguns dos processos estudados pela psicologia cognitiva são: • como as pessoas se comunicam; • como é feita a percepção e processamento de informações; • como comentem erros; • como interagem com equipamentos e suas interfaces; • como resolvem problemas; • como interagem com o ambiente; • como julgam e tomam decisões; • como formam conceitos. O correto entendimento e aplicação dos conceitos da psicologia cognitiva podem criar grandes oportunidades no desenvolvimento de equipamentos médicos mais seguros, intuitivos e eficientes. Como resultado é possível reduzir significativamente os erros médicos oriundos de operação inadequada de dispositivos médicos, aumentando a satisfação dos profissionais de saúde e a eficácia no tratamento da saúde do paciente. Os erros médicos podem ser prevenidos através do projeto do sistema de saúde em todos os níveis, objetivando torná-lo mais seguro ao dificultar que as pessoas façam algo errado, possibilitando ser mais fácil fazer da maneira correta [Corrigan et al. 2009]. Através do desenvolvimento de equipamentos médicos usando este ponto de vista é possível trazer mais segurança ao ambiente hospitalar e melhorias nas terapias de saúde. 1.3. Projetos em Medicina Ubíqua Diversas pesquisas têm sido feitas com o objetivo de desenvolver arquiteturas de software para otimizar a rotina dos profissionais de saúde utilizando os conceitos de computação pervasiva. A seguir estão apresentados alguns dos projetos relacionados com o tema. 1.3.1. ABC (Activity-Based Computing): support for mobility and collaboration in ubiquitous computing O ABC (Activity-Based Computing) [Bardram 2005, Bardram et al. 2002, Bardram and Christensen 2007, Bardram 2009] é um projeto de computação ubíqua para apoio à mobilidade e colaboração nas atividades de trabalho humano através do desenvolvimento de um framework. O projeto foi iniciado em 2001 pela Universidade de Aarhus em parceria com Universidade de TI de Copenhague, contando também com o apoio do Hospital Regional de Horsens. Os principais objetivos do projeto ABC são: • dar suporte às atividades humanas através do gerenciamento de tarefas com o auxílio da computação; • dar suporte à mobilidade através da distribuição de atividades em ambientes de computação heterogêneos (desktop PC, tablet, notebook, PDA, tela ou projeção na parede de uma sala de cirurgia); • permitir a colaboração assíncrona possibilitando que várias pessoas participem de uma mesma atividade; • dar suporte a atividades síncronas para colaboração em tempo real através de compartilhamento por diversos clientes. Através do framework desenvolvido é possível que as atividades sejam interrompidas e retomadas posteriormente com seu estado anterior totalmente recuperado, mesmo que o local seja diferente ou o dispositivo de computação usado seja outro. O sistema permite que todas as aplicações e recursos associados com as atividades sejam restaurados automaticamente quando uma atividade é retomada, otimizando consideravelmente a rotina clínica. Este suporte à persistência atende à necessidade de mobilidade, que é um dos principais requisitos das rotinas clínicas em hospitais. A idéia central deste projeto é o desenvolvimento de aplicações para otimizar a rotina dos profissionais de saúde, considerando os aspectos inerentes à profissão. Para isto foram construídos vários cenários do ambiente hospitalar, baseados nas rotinas dos médicos e enfermeiros. Esta trabalho foi realizado para identificar modelos de atividades, permitindo assim desenvolver uma aplicação para reconhecimento de contexto. As principais atividades identificadas se referem aos seguintes cenários: • busca de medicamentos na farmácia do hospital, administração e controle de medicamentos (realizadas por enfermeiros); • prescrições de medicamentos (realizadas por médicos), baseadas em resultados de exames e discussão com outros profissionais de saúde sobre dosagens e tipos de drogas; • colaboração; • videonferências para consultas e diagnósticos; • conversas com os paciente para explicar diagnósticos e tratamentos; • cirurgias. A arquitetura desenvolvida utiliza o conceito de infra-estrutura de computação guiada por atividades (ADCI - Activity-Driven Computing Infrastructure). O monitoramento das atividades de rotina do ambiente hospitalar e do contexto do usuário permitem a descoberta das atividades executadas pelo clínico, o que possibilita que o sistema atue de forma pró-ativa. Isto permite que sejam executadas de forma automática aplicações baseadas na atividade e contexto do usuário, reduzindo desta forma o tempo gasto caso fosse necessário navegar em uma interface (menu) com diversas opções. Os usuários e recursos são identificados e localizados através de dispositivos de radio-frequência disponíveis no ambiente hospitalar. O sistema desenvolvido permite que todos os recursos digitais (resultados de exames laboratoriais, imagens para diagnósticos, registros médicos) necessários para a realização de uma atividade relacionada com um determinado paciente sejam organizados e agrupados logicamente. A Figura 1.2 apresenta a arquitetura do projeto ABC, o qual foi estruturado nas seguintes camadas: • Infraestrutura: realiza o gerenciamento das atividades colaborativas e distribuídas através da adaptação dos recursos ou serviços disponíveis em um determinado ambiente computacional; • Cliente: gerencia a atividade em um dispositivo específico; • Aplicação: possui rotinas e padrões para a utilização dos serviços disponíveis na arquitetura do cliente. Figura 1.2. Arquitetura do Projeto Activity-based Computing [Bardram 2009, Kroth and Augustin 2010] 1.3.2. ClinicSpace: modelagem de uma ferramenta piloto para definição de tarefas clínicas em um ambiente de computação O projeto ClinicSpace [Silva 2009, Ferreira et al. 2009] tem como objetivo adaptar um middleware para gerenciamento de atividades clínicas através da computação pervasiva. Está sendo desenvolvido na Universidade Federal de Santa Maria pelo Grupo de Sistemas de Computação Móvel (GMob). O ClinicSpace é um Sistema Eletrônico de Saúde (EHS Electronic Health System) cuja arquitetura foi desenvolvida com o objetivo de atender aos requisitos dos médicos, diminuindo assim a frequente rejeição na implantação deste tipo de sistema no ambiente hospitalar. O sistema disponibiliza um assistente para ajudar os profissionais de saúde a executar suas atividades, usando para isto a computação orientada a atividades. O projeto usa a captura de contexto para reduzir a complexidade do sistema para os profissionais de saúde. Os elementos de contexto processados são tempo, recursos, perfil, paciente, localização dispositivos e sensores. As informações do ambiente clínico são capturadas e integradas automaticamente às aplicações do sistema computacional, tornando os serviços prestados aos pacientes mais otimizados e com melhor qualidade [Ferreira et al. 2009]. A arquitetura também permite a personalização no modo como cada usuário executa as atividades, aumentando assim a aderência do sistema automatizado no ambiente hospitalar com o objetivo de aumentar a sua aceitação. A Figura 1.3 apresenta a arquitetura do projeto ClinicSpace, o qual foi estruturado nos seguintes níveis: • Nível superior: operador do sistema (profissional de saúde) que gerência suas tarefas a serem executadas no ambiente pervasivo; • Nível intermediário: responsável pelo mapeamento e gerenciamento das tarefas definidas pelo operador e subtarefas (aplicações pervasivas); • Nível inferior: responsável pela execução das aplicações e gerenciamento do ambiente pervasivo através do middleware EXEHDA [Yamin 2004]. Figura 1.3. Arquitetura do Projeto ClinicSpace [Machado and Augustin 2011] A seguir estão descritas o significado das abreviações usadas para identificar os componentes da arquitetura: • IETC: Interface de Edição de Tarefas e Contexto • SGDT: Subsistema de Gerenciamento Distribuído de Tarefas; • SGT: Serviço de Gerenciamento de Tarefas; • SAT: Serviço de Acesso a Tarefas; • SCT: Serviço de Contexto de Tarefas • pEHS: pervasive Electronic Health System. Como diferencial em relação a outros projetos semelhantes, o ClinicSpace é arquitetado com foco nos profissionais de saúde que serão os usuários do sistema, permitindo que os mesmos personalizem as suas tarefas. O sistema desenvolvido permite que os usuários façam um balanceamento entre automatizar e controlar a execução das tarefas, disponibilizando recursos como agendamento, execução, interrupção, continuação e cancelamento de atividades. O projeto também implementa a semântica siga-me, permitindo que as tarefas acompanhem o usuário mesmo que ele troque de dispositivo computacional. 1.3.3. Pertmed: Sistema de Telemedicina Móvel (disponibilizando a informação onde ela é necessária) O projeto Pertmed [Rodrigues 2011] tem como objetivo científico avaliar o uso na área de saúde de algumas das tecnologias desenvolvidas pelas pesquisas em computação ubíqua, atendendo dessa forma à necessidade de mobilidade dos profissionais que atuam no ambiente hospitalar. O sistema a ser desenvolvido fará a conexão entre dispositivos móveis e o sistema informatizado de acesso às informações clínicas do hospital, possibilitando assim que os profissionais de saúde tenham acesso às mesmas de forma pervasiva. O Pertmed está sendo desenvolvido através da parceria entre grupos de pesquisa da Universidade Federal de Santa Maria (Grupo de Sistemas de Computação Móvel GMob), Universidade Católica de Pelotas e Universidade Federal de Pelotas (Grupo de Processamento Paralelo e Distribuídos - G3PD). O projeto tem como premissa a colaboração dos profissionais de saúde dos hospitais universitários destas instituições, os quais serão responsáveis por determinar os requisitos do sistema a ser desenvolvido. Estes profissionais também contribuirão para a identificação de características e funcionalidades, análise e adequação do projeto à rotina hospitalar. Além do atendimento às necessidade destes dois hospitais, o sistema tem como meta a generalização da solução para o atendimento aos requisitos da rede SUS, onde poderá ser utilizado amplamente. O Pertmed busca viabilizar o atendimento a lugares remotos e carentes, onde há falta de serviços de saúde especializados devido ao alto custo de transporte. Isto seria viabilizado através do acesso ao estado de saúde do paciente através de monitoramento remoto. Simples orientações clínicas poderiam ser enviadas diretamente aos celulares dos pacientes. Desta forma o projeto contribuirá com a redução na fragmentação e interrupção de tratamentos devido a dificuldade de acesso aos serviços de saúde. O sistema está sendo desenvolvido na plataforma Java, utilizando diagramas UML (Unified Modeling Language) e programação orientada a objetos. O gerenciamento do ambiente pervasivo é feito através do middleware EXEHDA [Yamin 2004]. Este projeto pretende disponibilizar informações de saúde (tais como resultados de exames laboratoriais e registros de pacientes) aos médicos e enfermeiros sempre que necessárias, baseadas em contexto, independentemente do local onde se encontram, a qualquer momento e de qualquer dispositivo (acesso pervasivo). De acordo com a proposta do projeto, para se ter qualidade nos serviços prestados na área da saúde, é necessário que os profissionais tenham acesso rápido às informações clínicas dos pacientes, permitindo assim que os mesmos tomem decisões rápidas. Estas informações podem ser acessadas pelos profissionais de saúde através da internet e dispositivos móveis, tais como smartphones, telefones celulares e PDAs. O sistema também disponibiliza o tráfego de informações entre os profissionais de saúde e os pacientes. 1.3.4. uMed: Um Framework para o Gerenciamento de Aplicações Direcionadas à Medicina Ubíqua O projeto uMED é uma arquitetura para desenvolvimento de software direcionada a medicina ubíqua [Rodrigues 2011, Rodrigues et al. 2011], concebido como parte dos esforços de pesquisa do projeto PERTMED. O uMED foi desenvolvido no Grupo de Pesquisa em Processamento Paralelo e Distribuído (G3PD) da Universidade Católica de Pelotas (UCPel). Este projeto permite o monitoramento remoto dos sinais vitais de pacientes internados em um ambiente hospitalar. O sistema pode emitir alertas clínicos através da captura de informações contextuais. Os alertas são baseados em regras criadas pelos profissionais de saúde, sendo possível alterá-las a qualquer momento. O uMED permite aos clínicos monitorar e controlar remotamente dispositivos e equipamentos eletromédicos (tais como ventiladores pulmonar e bombas de infusão) com o objetivo de otimizar a rotina clínica dos profissionais de saúde. Os dispositivos podem ser para controle ambiental, como por exemplo alarmes, luzes de sinalização, aquecedores e umidificadores. Através deste framework os equipamentos e dispositivos do ambiente ubíquo podem ser configurados, acionados ou desligados. O uMED foi desenvolvido com a premissa de ser integrado ao middleware EXEHDA [Yamin 2004], empregando suas funcionalidades de reconhecimento e adaptação de contexto. Seu objetivo principal é melhorar a mobilidade dos profissionais de saúde através do fornecimento de serviços de saúde, com acesso independente do tempo e localização. O framework propõe uma infraestrutura para integração de sensores e dispositivos computacionais móveis e fixos no meio hospitalar, disponibilizando serviços com consciência ao contexto através de um ambiente ubíquo. A Figura 1.4 apresenta a arquitetura do projeto uMED, o qual foi estruturado nos seguintes módulos: • Gerente de Atuação: permitem controlar (ligar, desligar e configurar) os atuadores do ambiente ubíquo de forma manual (através do operador) ou automática (através do servidor de contexto); • Gerente de Aplicações: fornece ao usuário as aplicações disponibilizadas pelo framework: emissão de alertas aos profissionais de saúde baseados no monitoramento de sinais vitais, acionamento imediato e configuração dos atuadores e elaboração de relatórios personalizados; • Gerente de Borda: realiza o primeiro processamento dos sinais aquisitados pelos sensores e faz o tratamento dos dados para acionamento dos atuadores; • Gerente de Comunicação: responsável por enviar mensagens de notificação aos clínicos, pacientes e familiares através de mensagems SMS (Short Message Service), Google Talk e e-mail; • Servidor de Contexto: realiza o processamento de informações de contexto através do suporte semântico. Figura 1.4. Arquitetura do Projeto uMED [Rodrigues et al. 2011] Como diferencial frente a outros projetos, o uMED possui a possibilidade de geração de relatórios personalizados pelos usuários para estudo de casos clínicos e a criação de regras para inclusão e exclusão de atuadores e sensores, de maneira que as características dos mesmos possam ser abstraídas. 1.3.5. UbiDoctor: Serviço de Gerenciamento de Sessão para Ambientes de Medicina Ubíqua O projeto UbiDoctor [Diniz and Trinta 2008] é um middleware, desenvolvido na Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), proposto para fornecer serviços de medicina ubíqua com o objetivo de melhorar a produtividade dos profissionais de saúde. Através desta arquitetura estes profissionais podem acessar de forma ubíqua os dados pessoais e casos clínicos de pacientes, visualizar pareceres clínicos anteriores e solicitar segunda opinião a outros médicos. O UbiDoctor considera a necessidade de atendimento a premissas tais como a interação entre os profissionais de saúde para troca de informações e opiniões clínicas, suporte à mobilidade dos usuários (característica inerente ao ambiente hospitalar), necessidade de acesso às informações de saúde do paciente através de diversos tipos de dispositivos computacionais, nomadismo e interrupções constantes da execução de atividades. A Figura 1.5 apresenta a arquitetura do middleware UbiDoctor, o qual foi estruturado nos seguintes serviços: • Serviço de Gerenciamento de Contexto: encarregado de examinar os dados contextuais e enviar aos demais serviços através de variáveis de contexto; • Serviço de Gerenciamento de Sessões: disponibiliza a manutenção e persistência das sessões e a migração de aplicações; • Serviço de Adaptação de Conteúdo: faz a adequação das informações a serem apresentadas ao usuário considerando a abrangência da rede e as características e configurações do dispositivo computacional usado. Com o objetivo de realização de testes foram implementados os serviços de gerenciamento de contexto, gerenciamento de sessão e adaptação de conteúdo do middleware UbiDoctor. Também foi desenvolvida uma aplicação protótipo chamada de UHSys (Ubiquitous Health System) para uso destes serviços. O UHSys possibilita aos profissionais clínicos acessarem um sistema de Prontuário Eletrônico do Paciente (PEP), permitindo que o mesmo seja utilizado a qualquer momento (anytime), de qualquer lugar (anywhere) e em qualquer dispositivo computacional (any device). O sistema também permite que os profissionais de saúde solicitem e atendam a pedidos de segunda opinião médica. Através da arquitetura desenvolvida, o médico pode fazer a migração de uma atividade em execução para outro tipo de dispositivo computacional, no qual a tarefa continuará a ser executada. Através do serviço de gerenciamento de sessão esta troca é feita com a persistência do conteúdo assegurada. Dependendo dos tipos de dispositivos usados, o ajuste do conteúdo a ser exibido ao usuário é realizado através dos serviços de gerenciamento de contexto e adaptação de conteúdo do middleware. Na Figura 1.6 pode-se observar a arquitetura doUHSy. Figura 1.5. Arquitetura do Projeto UbiDoctor [Diniz and Trinta 2008] Figura 1.6. Arquitetura do módulo doUHSy [Diniz and Trinta 2008] Na parte superior da figura estão os servidores de aplicação dos PEPs, enquanto na parte inferior estão representados os serviços disponibilizados pelo middleware UbiDoctor. Estes componentes formam o back end do sistema, responsáveis pelos serviços disponibilizados aos clientes. Os componentes que acessam o ambiente computacional através de computadores pessoais, tablets, PDAs ou telefones celuares são denominados clientes e formam o front end do cenário. Os profissionais de saúde podem acessar os dados do paciente através do front end de qualquer lugar, usando diversos tipos de dispositivos computacionais através de diversas possibilidades de rede de acesso. Dependendo do dispositivo de acesso usado, as aplicações terão mais ou menos recursos disponibilizados aos clientes. Por exemplo, a aplicação web usada em computadores pessoais terá mais recursos disponíveis que um telefone celular, devido as limitações impostas pelos tamanhos de display e teclado deste último. 1.4. Conclusões Existe uma grande expectativa na aplicação futura da computação ubíqua em home care. Através desta tecnologia será possível o monitoramento de pacientes a distância, possibilitando que os mesmos recebam o tratamento de saúde em casa. Um dos principais desafios para a aplicação prática da medicina ubíqua é o desenvolvimento de dispositivos interativos para os ambientes hospitalares (paredes, tetos, pisos, leitos, aplicações clínicas incorporadas aos equipamentos, superfícies interativas, interface natural de comunicação dos humanos). Atualmente não existe tecnologia suficiente para o desenvolvimento de muitos destes recursos. Diversas pesquisas estão sendo feitas com o objetivo de criar tecnologias para o desenvolvimento de hospitais inteligentes (Smart Hospitals), os quais possuiriam características tais como: • os sistemas e dispositivos computacionais estariam altamente integrados e seriam colaborativos; • os profissionais de saúde usariam interfaces interativas para acesso aos registros médicos; • os dispositivos computacionais possuiriam recursos de sensibilidade e adaptação ao contexto. 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. 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. 1.5. Referências Bibliográficas Referências [Araujo 2003] Araujo, R. B. d. (2003). Computação ubíqua: princípios, tecnologias e desafios. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores, pages 45–115. Pag 10 a 17: São descritos os dispositivos da computação ubíqua, controles inteligentes, Cartões Inteligentes, Dispositivos de Mão, Bateria: Tecnologia Limitante, telas, Teclados Virtuais em Telas Sensíveis a Toque, Reconhecimento de escrita a mão, Reconhecimento de Voz. Pag. 27: Sistemas operacionais embarcados (Windows CE, Symbiam, Palm OS, Linux) Pag. 81: Segurança e criptografia Pag. 42: Conectividade: Sistema Celular, Bluetooth, Infravermelho, Tecnologia HomeRF, Tecnologia 802.11 – Wi-Fi, Redes Domésticas <b>Pag. 58: Aspectos de Hardware dos Dispositivos Ubíquos: Bateria: Tecnologia Limitante, Telas, Teclados, Reconhecimento de escrita a mão, Reconhecimento de Voz Pag. 110: </b>Desafios da Computação Ubíqua. [Augustin and Yamin 2005] Augustin, I. and Yamin, A. (2005). Managing the Followme Semantics to Build Large-scale Pervasive Applications. [Bardram 2005] Bardram, J. E. (2005). Activity-based computing: support for mobility and collaboration in ubiquitous computing. Personal and Ubiquitous Computing, 9(5). [Bardram 2009] Bardram, J. E. (2009). Activity-based computing for medical work in hospitals. Transactions on Computer-Human Interaction (TOCHI, 16(2). [Bardram and Christensen 2007] Bardram, J. E. and Christensen, H. B. (2007). 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