E-CATH: TELEMEDICINA EM HEMODINÂMICAS UTILIZANDO

E-CATH:
TELEMEDICINA EM HEMODINÂMICAS UTILIZANDO REDES DE B AIXA VELOCIDADE
BERNARDO MOREIRA DE FARIA1
RICARDO AUGUSTO RABELO OLIVEIRA2
ARNALDO DE ALBUQUERQUE ARAÚJO1
1
NPDI – DCC – ICEx UFMG , Av. Antônio Carlos, 6657, Belo Horizonte, MG, Brasil, 31270-901
{arnaldo, bmf}@dcc.ufmg.br
2
SIAM – DCC – ICEx UFMG , Av. Antônio Carlos, 6657, Belo Horizonte, MG, Brasil, 31270-901
{rabelo}@dcc.ufmg.br
Resumo: O e-Cath busca soluções para viabilizar a telemedicina em centros de hemodinâmica a custos
factíveis. Inicialmente, somente conexões convencionais de Internet (redes TCP/IP de 128 Kbps e baixo QoS)
serão utilizadas. O objetivo do trabalho é possibilitar a segunda opinião médica à distância, bem como a
discussão de casos entre cardiologistas e especialistas (hemodinamicistas). Técnicas de compressão de vídeo,
análise e realce de imagens radiológicas, sincronia e controle de seções entre os participantes são propostas, a
fim de transmitir áudio, vídeo e imagens médicas a taxas razoáveis, sem a necessidade de linhas de transmissão
de alta capacidade ou com elevado QoS. A usabilidade é outro ponto crucial para que o sistema possa tornar
possível a discussão de casos, mesmo com recursos de rede escassos.
1
Hemodinâmica
Hemodinâmica é o estudo dos movimentos e pressões da circulação sanguínea. Adicionalmente, hemodinâmica é
conhecida como o equipamento utilizado para se fazer o cateterismo cardíaco, um exame cardiológico invasivo feito para
diagnosticar ou corrigir problemas cardiovasculares, como, por exemplo, a visualização de um estreitamento, geralmente
formado por uma placa de gordura, na artéria coronária. O médico faz um corte de dois a três centímetros de largura
próximo à prega do cotovelo, no braço direito ou esquerdo, e seleciona um vaso sangüíneo (veia ou artéria).
Alternativamente pode-se utilizar a virilha. Por esse corte é introduzido o cateter (sonda de 2,7 milímetros de diâmetro e
um metro de comprimento), que percorre o vaso até chegar ao coração. Pelo cateter é injetado um líquido chamado de
contraste radiológico que permite visualizar, por meio de um aparelho de raios-X, os vasos e cavidades do coração. As
imagens internas do coração e/ou vasos são registradas com tecnologia digital, que auxiliam na análise posterior do
exame.
O exame de cateterismo é indicado para mostrar obstruções das artérias que irrigam a musculatura do coração
(coronárias), quantificar alterações do funcionamento das válvulas e do músculo cardíacos, esclarecer alterações
anatômicas não confirmadas por outros exames, mostrar em detalhes uma má formação congênita e desobstruir artérias e
válvulas.
Além do exame de diagnóstico (o cateterismo), pode-se realizar, dentre outros, os seguintes procedimentos
utilizando uma hemodinâmica:
•
Angioplastia: desobstrução de artéria coronária ou ponte de safena que esteja comprometida por uma placa
de gordura ou um coágulo. É feita usando-se um balão que, posicionado e inflado no ponto de
estrangulamento, restitui a circulação no vaso;
•
Stent coronário: fixação de uma tela de aço inoxidável na parede interna do vaso desobstruído durante a
angioplastia, para impedir novo estrangulamento.
•
Valvoplastia: desobstrução de válvulas cardíacas (pulmonar e mitral) por meio de um ou mais balões
infláveis, normalizando a livre circulação do sangue;
•
Angiografia cerebral: introdução de contraste na artéria carótida no pescoço para visualização dos vasos
cerebrais.
2 Telemedicina
De acordo com a ATA (American Telemedicine Association) [1], a Telemedicina é "o uso de informação médica
veiculada de um local para outro, por meio de comunicação eletrônica, visando à saúde e educação dos pacientes e do
profissional médico, para assim melhorar a assistência de saúde". Segundo a Current Medical Diagnosed & Treatment
2000 [2], Telemedicina é "o uso de informação eletrônica e outras tecnologias de comunicação para proporcionar e dar
suporte à saúde quando a distância separa os participantes do processo". A definição é, portanto, bastante vaga,
abrangendo, desde diagnósticos por correspondência ou até por telefone, até intervenções cirúrgicas à distância através de
braços robóticos.
O escopo do que compreende a telemedicina é, portanto, fundamental para que se possam dimensionar custos de
implantação e manutenção de um sistema, desde equipamentos eletrônicos, capacitação de pessoal até infra-estrutura de
rede, Arto Ohinmaa et al. [3].
3
Telemedicina em Hemodinâmicas
O diagnóstico de um exame de cateterismo é dado através da análise das imagens obtidas através da máquina de
hemodinâmica. Estas imagens formam filmes (uma série de raios-X geralmente adquiridos a uma taxa de trinta quadros
por segundo) que são armazenados em formato digital em um computador.
Atualmente a discussão de um caso requisita a presença física dos médicos envolvidos no processo. Usualmente, o
médico especializado em hemodinâmica (hemodinamicista) retorna ao médico cardiologista (solicitante do exame) o
laudo do paciente juntamente com um CD contendo as imagens feitas durante o exame. Depois de ler o laudo e analisar
as imagens, o médico solicitante encontra-se com o médico hemodinamicista para discutir o caso e as eventuais terapias a
serem realizadas. Esta etapa requer o encontro dos médicos, o que exige o deslocamento físico do médico solicitante até a
clínica do hemodinamicista.
Em algumas situações, como gravidade extrema do caso ou para fins didáticos, a discussão durante o exame é
necessária. Mais de um hemodinamicista acompanham o exame, discutindo os métodos empregados durante o
procedimento. Algumas vezes o médico solicitante também acompanha o exame. Em todos esses casos, atualmente, a
presença física dos envolvidos se faz necessária.
O uso da telemedicina nas hemodinâmicas evitaria a necessidade do encontro físico das entidades médicas para a
discussão de um caso, seja durante ou após um procedimento. Durante um exame, especialistas em diferentes centros
podem acompanhar e discutir o exame, ou ainda alunos ou uma outra audiência qualquer podem acompanhar o
procedimento para fins didáticos ou explanatórios.
Após o exame, médicos podem discutir a terapia a ser conduzida ou mesmo o diagnóstico a ser dado a determinado
paciente sem a necessidade de se encontrarem, agilizando o processo de cura do paciente e reduzindo custos de
locomoção, sem mencionar o aumento de produtividade devido a maior agilidade do processo.
4
Desafios para a Implantação da Telemedicina em Hemodinâmicas
O desafio principal para a implantação da telemedicina em hemodinâmicas é conseguir serviços razoáveis sem
elevar em demasia os custos da sua implantação, operação e manutenção. Nas hemodinâmicas, os objetos de estudo são
filmes digitais de elevada resolução (geralmente 512 x 512 pixels), monocromáticos (profundidade de cor de um byte por
pixel), adquiridos a taxas de trinta quadros por segundo. Este tipo de mídia necessita, sem nenhuma compressão ou
tratamento prévio, de um link de mais de 50 Mbps para ser transportado em uma discussão médica.
Um exemplo de tal rede seria a Internet 2, que oferece, através de redes ATM de banda larga, a qualidade de serviço
necessária para discussões médicas. Seu custo, porém, é atualmente muito elevado para que a maioria dos centros de
hemodinâmicas possa usufruir tal benefício.
Buscando a diminuição dos custos de redes de dados e a viabilidade da tecnologia, diversas pesquisas tem sido feitas
no campo da compressão de vídeo e streaming de mídia sobre redes TCP/IP de baixo QoS. Estas iniciativas têm
amadurecido nos últimos anos, porém a falta de convergência em um padrão de facto gera dificuldades de aceitação e
universalização da telemedicina.
Apesar das técnicas existentes, ainda é extremamente dispendioso projetar e montar uma estrutura para suportar a
telemedicina em hemodinâmicas. Deve-se salientar que, pelas normas internacionais, é proibida a utilização de imagens
com perdas para fins de diagnóstico. Deve-se, portanto, transmitir imagens sem perdas no momento de decisões médicas,
o que proíbe a utilização de técnicas de compressão com perdas, caso da maioria dos algoritmos existentes.
5
Sistemas de Telemedicina Existentes
A Internet 2 é a base da maioria das iniciativas na área médica, já que ela utiliza links ATM de alta velocidade, os
quais garantem QoS necessário para aplicações multimídia de tempo real.
Um dos projetos desenvolvidos no Brasil é o HealthNet, da Universidade de Recife, PE. Desenvolvido pelo Grupo de
Tecnologias da Informação em Saúde da UFPE, o HealthNet dá suporte ao telediagnóstico e à segunda opinião médica. O
HealthNet visa a melhoria da prestação de serviços de saúde em áreas distantes e carentes, além de permitir implantar
um processo de cooperação médica entre grandes centros especialistas. O projeto faz parte da iniciativa Recife ATM, o
qual tem por objetivo a instalação, manutenção e estudo de uma rede de alta velocidade ATM no Recife.
A Universidade Federal de São Paulo desenvolve o Teleoftalmologia, projeto que envolve imagens ceratoscópicas,
em parceria com a empresa EyeTec.
O Hospital Sírio Libanês, em parceria com o Hospital Albert Einstein, a empresa TeleCárdio, e o projeto
MultiCon21 (Hospital das Clínicas da Unicamp, Instituto do Coração da USP, e Telesp) são outros exemplos de
iniciativas em telemedicina, todas elas utilizando redes de comunicações digitais de alto custo de implantação.
6
O Sistema e-Cath
O objetivo do e-Cath é realizar a telemedicina em redes de baixas velocidades e com QoS inadequado para
aplicações de tempo real. O e-Cath propõe um estudo detalhado dos casos de uso que envolvem os processos de
diagnóstico e segunda opinião em estudos hemodinâmicos, para permitir a utilização de redes convencionais (como uma
linha dedicada ISDN ponto a ponto ou até um link na Internet) a fim de implementar a telemedicina. Para tal, há
diversas medidas de otimização do conteúdo a ser transmitido entre os participantes.
Existem atividades padrões que compõe os processos de diagnóstico e discussão de casos em uma clínica de
hemodinâmica. Estes processos, aparentemente, necessitam dos vídeos gravados durante o exame com a máxima
qualidade visual possível. Na realidade, entretanto, há particularidades que permitem reduzir a qualidade do vídeo na
telemedicina em determinadas situações. Um exemplo é o cenário em que o hemodinamicista (especialista) está
explicando seu diagnóstico a um cardiologista que solicitou o exame. Quem posiciona o sistema de telemedicina na
imagem que contém uma lesão coronariana, por exemplo, é quem realizou o exame. Por isso a qualidade das imagens é
máxima neste ponto. Antes de escolhidos os quadros mais importantes do exame, os quais realmente servirão para a
discussão do caso e para o entendimento do diagnóstico, a estação de telemedicina do médico solicitante não necessita
mostrar os vídeos em qualidade máxima.
6.1 Peer to Peer
O e-Cath é uma aplicação com caraterísticas de aplicações Peer to Peer, P2P[5], mas apesar de ter o conceito de
servent, característico de uma rede P2P, o processamento se restringe a pares de unidades comunicando diretamente. A
troca de recursos é feita de maneira coordenada, sem que exista a necessidade de acontecer uma pesquisa distribuída. Um
terceiro elemento entra para atuar nessa pesquisa e troca de informações.
O e-Cath é constituído de duas unidades clientes, com capacidade de processamento digital de imagens, troca de
arquivos e interfaces gráficas sincronizadas, e um elemento coordenador. Este é responsável pela autenticação de
usuários, criação de discussões e sincronização de recursos multimídia entre os participantes, antes e durante as
discussões. As unidades clientes foram modeladas de forma a receber comandos de processamento de imagens de duas
origens: locais, através da interface gráfica, e remotos, através da rede. Eles possuem capacidade de trocar entre si os
recursos gráficos, os comandos de processamento de imagens sincronizados, além de possibilitar um chat, e uma
comunicação visual via webcam.
Para que as funcionalidades deste sistema fossem possíveis, a abordagem adotada foi minimizar a troca de dados
entre as unidades de processamento remoto, principalmente os recursos de vídeo. A troca de imagens e vídeo ocorre no
momento da inicialização da discussão, e durante esta, os comandos de processamento digital são trocados entre as
unidades, sincronizados pelo terceiro elemento, o coordenador. Este deve garantir que todas as operações ocorreram
corretamente nas duas unidades clientes.
Como sistemas P2P [6,7], as unidades clientes efetuam uma conexão com um servidor fixo, e ,durante a
identificação e a autenticação, recebem o endereço para a conexão com o outro elemento, para efetuarem a comunicação.
O perfil de tráfego entre as unidades do e-Cath é diferente que uma aplicação P2P comum [8], sendo mais intenso
durante o início da discussão, durante a troca de recursos e um perfil constante durante o chat e troca de comandos de
processamento de imagens.
6.2 Diagrama de Classes e Casos de uso
As seguintes funcionalidades serão fornecidas pelo e-Cath durante uma discussão:
•
Transmissão de arquivos de imagens e vídeo entre as duas localidades;
•
Visualização de Cines e Fotos;
•
Processamentos gráficos sobre imagens e cines (vídeo):
•
•
Realce;
•
Zoom de uma região;
•
Controle de brilho e contraste da imagem sendo exibida;
•
Filtro de alto relevo;
•
Marcação de detalhes (desenhos de setas e textos);
•
Subtração digital de cines;
Chat;
• Webcam;
A visualização de imagens e fotos durante a discussão é feita de maneira progressiva, usando compressão sem
perdas, pois por serem imagens de diagnóstico, o processamento deve ser feito nas imagens sem perdas. Qualquer falha
de transmissão implica em uma retransmissão.
7
Arquitetura do e-Cath
7.1 Casos de uso
Os casos de uso básicos do e-Cath são:
Figura 1. Diagramas de Caso de Uso do Sistema.
7.2 Classes
O e-Cath tem a seguinte organização geral de classes:
•
Classes de coordenação: responsáveis pela gerência das discussões, sincronia de recursos, cadastro de
clínicas e participantes, etc;
•
Classes de discussão: contêm interfaces que exibem listas de recursos da discussão, chat, vídeo, voz e um
editor de imagens e vídeo com recursos específicos para a discussão remota;
•
Classes de comunicação: responsáveis pelo encapsulamento de toda a rede, fazendo com que todas as
demais partes do sistema não necessitem de contemplar questões de comunicação remota. Cada operação
remota é tratada de forma diferenciada, possibilitando dimensionar o uso da banda passante. Em casos de
muitos atrasos ou pouca banda, operações não vitais, como WebCam, são interrompidas, privilegiando os
comandos de processamento. Caso ocorram perdas de conexão, as classes de comunicação salvam o estado
do sistema, como por exemplo um processamento de imagens ou uma troca de recursos, para voltarem a se
comunicar quando a conexão for restabelecida. Toda a comunicação é feita usando uma camada de conexão
segura, como a SSL.
7.3 Comportamental
Figura 2. Diagrama de Estados do estabelecimento de Discussão.
•
Inicial Gerenciando Discussões: é o estado inicial da interface, que ocorre assim que o programa é executado.
Neste estado, a interface fornece todas as ferramentas para criar, excluir, editar e visualizar diretórios contendo
imagens e cines a serem discutidas. Estes diretórios são representados graficamente como ícones de discussões;
•
Gerenciando Servidores: neste estado, a interface fornece as ferramentas criar, editar e excluir cadastros de
servidores de telemedicina. A cada servidor de telemedicina será atribuído um endereço de Internet para a
conexão e outros dados como nome, endereço, pessoa responsável, etc. Esta tela oferecerá uma lista com os
ícones representativos dos servidores;
•
Conectando: neste estado, o usuário estará conectando o programa a um servidor de telemedicina. A interface
fornece as ferramentas necessárias para que o usuário realize o logon, e exibi o status do andamento da conexão.
Para se conectar, o usuário escolhe um servidor através de uma lista dos servidores cadastrados;
•
Briefing: este estado compreende uma etapa intermediária entre a conexão e a discussão. Constitui o momento
em que são definidos quais os participantes da discussão, e qual o caso que será discutido. Este estado pode ser
dividido em dois sub estados: Abrindo discussão e Entrando em Discussão Aberta;
•
Abrindo discussão (Briefing): este estado só ocorre se a conexão tiver sucesso, e é usado para permitir ao
usuário iniciar uma discussão a partir de um diretório de discussão existente. Uma discussão aberta por um
usuário fica à disposição de outros participantes que desejem entrar na mesma. Assim que os dois participantes
ficam definidos, a interface muda para o estado de discussão. Para definir os participantes de uma discussão, é
necessário que um abra a discussão e o outro entre na mesma. Para abrir uma discussão o usuário deve escolher
o respectivo ícone representativo do diretório local. Neste estado é possível a comunicação via chat com o outro
usuário conectado;
•
Entrando em Discussão Aberta (Briefing): este estado permite a um usuário conectado entrar em uma
discussão que foi aberta pelo outro participante. Neste estado é possível a comunicação via chat com o outro
usuário conectado;
•
Sincronizando Recursos manualmente: este estado ocorre logo depois que os dois participantes de uma
discussão foram definidos, ou a qualquer momento durante uma discussão. A interface fornece todas as
ferramentas para realizar a transferência de blocos de recursos (cines, fotos, etc), entre os participantes. E
possível a comunicação via chat com o outro usuário conectado;
•
Discutindo: é o estado em que a interface oferece todos os recursos de processamento de imagem on-line e em
tempo real, ou seja, as ferramentas de discussão propriamente ditas;
•
Processando Imagens off-line: neste estado, o usuário alcançará todos os recursos gráficos do programa para
processar as suas imagens locais, sem estar conectado ao servidor;
•
Chamando um arquivo de inicialização: ocorre quando um arquivo de inicialização é fornecido ao programa
na sua inicialização. Este arquivo instrui o programa a incluir fotos, cines e dados de um exame, que estão em
um CD, por exemplo, em um novo diretório de Discussão.
Figura 3. Tela de Gerenciamento de Discussões.
Figura 4: Tela de discussão ao vivo – médicos conversam a respeito de uma lesão.
8
Conclusão
O e-Cath viabiliza a telemedicina em centros de hemodinâmica. Todo um ferramental de gerenciamento e
realização de discussões remotas via Internet é desenvolvido. A segurança do sistema é garantida através de uma camada
de transmissão de dados provendo serviços de criptografia. A análise dos processos envolvidos, a usabilidade do sistema e
as técnicas de otimização de transmissões de dados permitem que uma banda a princípio inadequada para transmissões
de imagens e vídeo possa ser utilizada com sucesso para realizar a telemedicina em centros de hemodinâmica.
Bibliografia
[1] ATA (American Telemedicine Association), http://www.ata.com
[2] Current Medical Diagnosed & Treatment 2000, http://www.matmo.org
[3] Arto Ohinmaa et al. “The assessment of telemedicine - General principles and a systematic review” Aug. 1999
[4] Peer-to-Peer Content Distribution, http://www-2.cs.cmu.edu/~kunwadee/research/p2p/
[5] GnuTella, http://www.gnutella.com/
[6] KazaA, http://www.kazaa.com/
[7] Evangelos P. Markatos, “Tracing a large scale Peer to Peer System: an hour in the life of Gnutella”, in 2nd
IEEE/ACM Int. Symp.on Cluster Computing and the Grid 2002