MODELIZAÇÃO DE ANTENAS DE COMUNICAÇÕES SEM
FIO NA ÁREA DO CORPO E DESENVOLVIMENTO DE UMA
APLICAÇÃO PARA ENGENHARIA DE REABILITAÇÃO
Dissertação submetida para a obtenção do grau de Mestre em
Engenharia De Reabilitação e Acessibilidade Humanas
LÚCIA FILIPA PEREIRA BENTO
Professor Doutor Marco Paulo Duarte Naia
MODELIZAÇÃO DE ANTENAS DE COMUNICAÇÕES SEM FIO
NA ÁREA DO CORPO E DESENVOLVIMENTO DE UMA
APLICAÇÃO PARA ENGENHARIA DE REABILITAÇÃO
Dissertação submetida para a obtenção do grau de Mestre em
Engenharia De Reabilitação e Acessibilidade Humanas
Lúcia Filipa Pereira Bento
Orientador: Professor Doutor Marco Paulo Duarte Naia
Composição do Júri:
Doutor Luís José Calçada Torres Pereira, Professor Auxiliar da Escola da Ciências e Tecnologia da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
Doutor Francisco José Cerqueira Alves, Professor Adjunto da Escola Superior de Tecnologia da Saúde do Instituto Politécnico de Coimbra
Doutor Marco Paulo Duarte Naia, Professor Auxiliar da Escola da Ciências e Tecnologia da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
II
Dissertação apresentada na Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Reabilitação e Acessibilidade Humanas, realizada sob orientação científica do Professor Doutor Marco Paulo Duarte Naia do Departamento de Física da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
III
«Eu tentei 99 vezes e falhei, à centésima tentativa consegui. Nunca desista dos
seus objetivos mesmo que esses pareçam impossíveis, a próxima tentativa pode
ser a vitoriosa.»
Albert Einstein, físico alemão
IV
Se fizer uma retrospetiva do caminho percorrido até ao culminar desta conquista, muitos foram os momentos bons e menos bons, as certezas e incertezas... Mas, uma coisa é certa, apesar de todo o meu empenho e força de vontade, não teria sido possível alcançar esta meta sem o apoio de todos aqueles que me acompanharam. Assim, cabe-me neste momento, manifestar todo o meu apreço por todos eles.
Em primeiro lugar, quero agradecer ao Professor Doutor Marco Naia, meu orientador, sem o qual este trabalho não teria sido possível. Obrigada pela dedicação, disponibilidade e partilha de conhecimentos.
Ao Professor Doutor Francisco Godinho, pela oportunidade de pertencer à “família” ERAH.
Ao Professor Doutor Norberto Gonçalves.
Ao Serviço de Medicina Física e Reabilitação do Centro Hospitalar de Trás-os-Montes e Alto Douro, assim como, aos familiares da criança e à própria criança que colaborou para a elaboração do estudo da análise cinemática, muito obrigada pelo contributo prestado.
Aos meus pais, a quem devo tudo aquilo que hoje sou. Obrigada pelo vosso amor, educação e valores transmitidos. Esta vitória também vos pertence, sem o vosso esforço diário nada disto seria possível. Daqui em diante, resta-me agarrar as armas que vocês me ajudaram a conquistar e partir à procura de novas vitórias. À minha mãe, tenho ainda que dirigir um obrigada muito especial, por ser uma boa ouvinte e ter sempre as palavras certas, no momento certo.
À minha tia, nunca me esquecerei daquilo que fez por mim, do seu incentivo e dos nossos primeiros passos na Universidade juntas.
Aos meus amigos, pela ajuda, incentivo e especialmente pela paciência.
E a todos aqueles que de algum modo marcaram este percurso e me auxiliaram.
Por fim, mas não menos importante, tenho que te gratular a Ti, sempre presente. E a quem ousei chamar especialmente nos momentos mais difíceis.
V
O avanço tecnológico e a miniaturização dos circuitos eletrónicos integrados tornaram
possível pensar uma geração de sensores e atuadores que podem ser
“vestíveis”(wearable) ou implantáveis. As aplicações fabricadas com estes
componentes podem ganhar relevância e eficácia se ligados a redes de comunicação
sem fios. As redes de dispositivos com comunicação sem fios implantáveis, “vestíveis”
ou usados na proximidade do corpo humano são conhecidos por redes sem fios na
área do corpo (WBAN – Wireless Body Area Network).
Para não limitarem ou condicionarem a mobilidade do indivíduo estes dispositivos têm
de ser necessariamente pequenos e leves, pelo que o espaço para a antena,
componente responsável por comunicar (receber e emitir sinais), é limitado.
Nas redes WBAN a comunicação da antena é condicionada pelo corpo humano, que
se caracteriza por ser um meio capaz de atenuar o sinal eletromagnético. Entre os
cenários de comunicação das redes WBAN aqueles que transmitem (i) através do
corpo; e (ii) sobre o corpo, são os que impõem mais restrições e exigências à
conceção da antena. Sendo que a construção da ligação sem fios para dispositivos
WBAN apenas será fiável conhecendo as perdas de sinal e a antena mais adequada.
Por isso o cálculo e teste das antenas é crucial.
Normalmente, não é possível testar estes dispositivos diretamente com humanos, por
razões de ética e de segurança. A alternativa é utilizar fantomas, um modelo
computacional do corpo humano ou uma mímica física dos tecidos.
O desenvolvimento de desenhos e materiais para a implementação de antenas de
comunicação implantáveis são talvez o fator decisivo para que se concretize uma nova
geração de dispositivos para a monitorização, controlo e reabilitação das ações e
função do corpo humano, sem perturbar ou condicionar o movimento do corpo.
VI
dificuldades da sua implementação. Como a antena é das principais componentes
constituintes dos dispositivos WBAN, este trabalho teve como foco a análise e
avaliação da mesma. Tomando-se como exemplo o caso mais extremo destas
aplicações, ou seja, aquele que necessita da utilização de dispositivos médicos
implantáveis (IMD). Pois, estes dispositivos além de requererem as mesmas
exigências impostas aos restantes dispositivos WBAN, exigem ainda uma (i) fonte de
energia externa; e (ii) materiais biocompatíveis.
Na prática realizou-se a simulação numérica de antenas destinadas à comunicação
com IMD, de modo a analisar (i) a influência do design no seu desempenho; (ii) os
efeitos do corpo humano na transmissão do sinal; (iii) e avaliar os efeitos térmicos
induzidos nos tecidos biológico, utilizando fantomas numéricos da cabeça humana.
Na prática foi ainda feita a demonstração de conceitos da construção de fantomas
físicos da cabeça humana.
E, para finalizar, foi demonstrado o potencial destas redes na área da reabilitação
motora, através da análise do caminhar de uma criança com paralisia cerebral
utilizando sensores inerciais. Com o qual se pretendeu demonstrar a importância
destes sensores para a avaliação, por exemplo, do progresso terapêutico.
Palavras-chave: Redes sem fio na área do corpo (WBAN); Antena; Taxa de absorção específica (SAR); Fantoma; Reabilitação.
VII
The technological progress and the miniatuarization of the integrated electronic circuits
made possible to think in a generation of sensors and actuators that can be wearable
or implantable. Applications manufactured with these componentes may gain
importance and efficacy if connected to wireless communications networks. Networks
devices with implantable wireless, wearable or used on-body are known as WBANs –
Wireless Body Area Networks.
The WBAN can not limit or compromisse the mobility of the person they must be
necessarily small and light, whereby the space for the antenna component responsible
for communicating (receiving and sending signals) is limited.
In the WBANs the antenna’s communication is condicioned by the human body,
because it’s characterized bybeing an effective means to attenuate the electromagnet
signal. The WBANs that transmit (i) on-body; and (ii) in-body, are the one that imposing
more restrictions and requirements to the antenna. The construction of the wireless
connection to WBANs devices will only be realible if we know the signal loss and the
most appropriate antenna. Because of that, calculation and testing of the antennas is
crucial.
Normally, for ethical and security reasons is not possible to test these devices directly
with humans. The alternative is to use phantoms, a computational modelo f the human
body or a physical mimic tissue.
The development of materials and designs for the implementation of implantable
communication antennas is perhaps the decisive factor for the materialization of a new
generation of devices for monitoring, control and rehabilitation of the actions of the
human body, without disturbing or condition the body movement.
Because oh potencial of these application in the area of human rehabilitation, this work
rought at the study of its art and applicability, highlighting the main difficulties of
implementation. Because the antenna is the main constituent componentes of WBANs
devices, this work it’s based on the analysis and evaluation of the antenna. Taking as
VIII
same requirements imposed na other devices WBANs, require also, (i) an external
source of energy, and (ii) innocuous materials.
In practice, it was held a numerical simulation of the antennas intented for
communication with IMDs, to analyse; (i) the influence of design on their performance;
(ii) the effects that the human body causes the signal transmission; (iii) and evaluating
the termal effects induced in biological tissues, using numerical phantoms of the
human head.
And finally, it was demonstrated the potential of networks in the field of motor
rehabilitation, by analyzing the walk of a child with a cerebral palsy, using inertial
sensors. With which i tis intended to demonstrate the importance of these sensors to
evaluate, for example, the therateitic progress.
Key words: Wireless Body Area Networks (WBAN); Antenna; Specific Absorption Rate (SAR);
IX
AGRADECIMENTOS
IV
RESUMO
V
ABSTRACT
VII
ÍNDICE GERAL
IX
ÍNDICE DE FIGURAS
XIII
ÍNDICE DE TABELAS
XXI
NOMENCLATURA
XXIII
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
1.1 Introdução 1
1.2 Motivação e contribuições da dissertação 3
1.3 Diagrama organizacional de trabalho 4
1.4 Estrutura do trabalho 6
CAPÍTULO 2 – REDES SEM FIO NA ÁREA DO CORPO - WBAN
2.1 Conceito de WBAN 9
2.2 Arquitetura das redes WBAN 10
2.3 Cenário das redes WBAN 14
2.4 Aplicações das redes WBAN 15
2.5 Requisitos das redes WBAN 24
2.6 Bandas de frequência das redes WBAN 27
CAPÍTULO 3 – ANTENAS E PROPAGAÇAO DE SINAL EM REDES WBAN
3.1 Antena 32
3.1.1 Parâmetros básicos das antenas 32
3.1.1.1 Intensidade de radiação 32
3.1.1.2 Direcionalidade 34
3.1.1.3 Ganho 34
X
3.1.1.8 Padrão de radiação 37
3.1.1.9 Campos de radiação 39
3.1.1.10 Polarização 40
3.2 Antenas para aplicações WBAN 41
3.2.1 Antenas para dispositivos sobre o corpo 42
3.2.2 Antenas para dispositivos dentro do corpo 44
3.3 Transferência de dados e energia em WBAN 46
3.3.1 Transferência de energia 46
3.3.2 Transferência de dados 49
3.4 Transferência de dados e energia por acoplamento indutivo 50
3.4.1 Acoplamento indutivo 51
3.5 Simulação de antenas para aplicações WBAN no espaço livre 58
3.5.1 Simulação de antenas tipo Loop 59
3.5.1.1 Descrição do modelo físico 59
3.5.1.2 Descrição dos métodos de cálculo 63
3.5.1.3 Resultados e discussão 64
3.5.2 Simulação da antena tipo Patch 68
3.5.2.1 Descrição do modelo físico 68
3.5.2.2 Descrição dos métodos de cálculo 70
3.5.2.3 Resultados e discussão 70
CAPÍTULO 4 – Avaliação De Antenas Através De Fantomas
4.1 Taxa de absorção específica - SAR 73
4.2 Características humanas que influenciam a SAR 75
4.3 Modelos humanos: fantomas 77
4.3.1 Fantomas físicos 78
4.3.1.1 Fantomas líquidos 78
4.3.1.2 Fantomas semissólidos ou de gel 79
4.3.1.3 Fantomas sólidos ou secos 80
4.3.2 Fantomas numéricos 81
4.3.2.1 Fantomas teóricos 81
4.3.2.2 Fantomas voxel 82
XI
4.4.1 Simulação de antenas Loop utilizando fantomas 92
4.4.1.1 Descrição do modelo físico 92
4.4.1.2 Descrição dos métodos de cálculo 94
4.4.1.3 Resultados e discussão 96
4.4.2 Simulação de antenas Patch utilizando fantomas 99
4.4.2.1 Descrição do modelo físico 99
4.4.2.2 Descrição dos métodos de cálculo 101
4.4.2.3 Resultados e discussão 101
CAPÍTULO 5 – Aplicação das WBAN na Reabilitação
5.1 O Caminhar Humano 108 5.2 Análise do caminhar 110 5.3 Sensores inerciais 112 5.3.1 Acelerómetro 113 5.3.2 Giroscópio 115 5.3.3 Fusão de sensores 115
5.4 Aplicação dos sensores inerciais: estudo de caso 117
5.4.1 Metodologia 118
5.4.1.1 Seleção do estudo de caso 118
5.4.1.2 Características da criança 119
5.4.1.3 Sistema de aquisição 119
5.4.1.4 Descrição da experiência 120
5.4.2 Análise dos resultados 123
CAPÍTULO 6 – Conclusões
6.1 Balanço geral 127
6.2 Interesse científico e tecnológico 130
XII
A.1 Introdução 147
A.2 Definição do modelo 148
A.3 Resultados e discussão 149
A.4 Instruções de modelização 152
APÊNDICE B – SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DE ANTENAS UTILIZANDO O
SOFTWARE COMSOL MULTIPHYSICS ®
B.1 Introdução 163
B.2 Definição do modelo 164
B.3 Instruções de modelização 164
APÊNDICE C – PEDIDOS DE AUTORIZAÇÃO PARA REALIZAÇÃO DO ESTUDO
DA ANÁLISE DO CAMINHAR DE UMA CRIANÇA COM
PARALISIA CEREBRAL UTILIZANDO SENSORES INERCIAIS
C.1 Concentimento do serviço de medicina física e reabilitação 182
XIII
CAPÍTULO 1
Figura 1.1 – Organização estrutural genérica do trabalho realizado (a organização não corresponde à realizada na estruturação da dissertação). 4
CAPÍTULO 2
Figura 2.1 – Comunicação entre WBAN e outras redes sem fio, nomeadamente WPAN –
Wireless Personal Area Network; WLAN – Wireless Local Area Network; WMAN
– Wireless Metropolitan Area Network e WAN – Wide Area Network (adaptada
de Latré et al. (2011)). 11
Figura 2.2 – Arquitetura horizontal (flat) das WBAN (adaptada de Crosby, et al. (2012)). 11 Figura 2.3 – Arquitetura multiníveis (multi-tier) das WBAN (adaptada de Crosby, et al.
(2012)). 12
Figura 2.4 – Exemplificação da comunicação por níveis das WBAN (adaptada de
Movassaghi, et al. (2014)). 13
Figura 2.5 – Cenários de comunicação das WBAN (A) Off-body, (B) On-body, (C) In-body
(D) Body to Body. 15
Figura 2.6 – Classificação das aplicações WBAN médicas e não médicas (adaptada de
Kwak, et al. (2010)). 16
Figura 2.7 – As 10 principais causas de morte no mundo, referentes ao ano 2012 (retirada
de World Health Organization (2014)). 17
Figura 2.8 – Requisitos de energia e taxas de dados em WBAN (adaptada de Movassaghi,
et al. (2014). 26
Figura 2.9 – Espetro eletromagnético (adaptada de Wikipédia (2016)). 27 Figura 2.10 – Bandas de frequência para diferentes países (retirada de Kwak, et al. (2010).
CAPÍTULO 3
28Figura 3.1 – Definição geométrica de ângulo sólido ou esterradiano (retirada de Balanis
XIV
Figura 3.3 – Exemplo de um padrão de radiação em coordenadas polares, referente ao
plano vertical (adaptada de CISCO (s.d.)). 38
Figura 3.4 – Regiões de campo das antenas (adaptada de Balanis (2005)). 40 Figura 3.5 – Polarização das antenas (retirada de Balanis (2005)). 40 Figura 3.6 – Magnitude do campo elétrico resultante da interação de uma antena dipolo com
um corpo (A) ondas rastejante, obtidas com a antena colocada
perpendicularmente ao corpo; (B) ondas superficiais, obtidas com a antena colocada perpendicularmente ao corpo; (C) ondas rastejantes, obtidas com a antena colocada tangencialmente ao corpo; (D) ondas superficiais, obtidas com a antena colocada tangencialmente ao corpo (adaptada de Chandra (2014)). 44 Figura 3.7 – Aspetos a ter em consideração aquando da implementação de antenas para
WPT (adaptada de Sun, et al. (2013)). 48
Figura 3.8 – Transferência de dados e energia sem fio utilizando um único par de indutores. 50 Figura 3.9 – Esquemas para transmissão de energia indutiva: (A) SS; (B) PS; (C) SP; (D) PP
(retirada de (Guo, et al., 2011)). 53
Figura 3.10 – Acoplamento indutivo utilizando o esquema SP (retirada de (Ali, et al., 2009)). 53 Figura 3.11 – Alguns dos fatores que influenciam a transmissão de energia por acoplamento
indutivo (adaptada de Castro (2010)). 55
Figura 3.12 – Efeito da variação de camadas metálicas do indutor PCB (A) na indutância e (B) no fator de qualidade (retirada de Islam (2011)). 56 Figura 3.13 – Efeito da variação do espaçamento entre pistas metálicas do indutor PCB (A)
na indutância e (B) no fator de qualidade (retirada de Islam (2011)). 57 Figura 3. 14 Efeito da variação da largura da pista metálica do indutor PCB (A) na indutância
e (B) no fator de qualidade (retirada de Islam (2011)). 57 Figura 3. 15 Efeito da variação do número de voltas do indutor PCB (A) na indutância e (B)
no fator de qualidade (retirada de Islam (2011)). 58 Figura 3.16 – Modelo para calcular o acoplamento entre duas antenas loop circulares. 60 Figura 3.17 – Geometria das antenas loop truncada pela camada PML, representada na
XV Figura 3.19 – Comparação do (A) Coeficiente de reflexão da porta de entrada e (B)
Coeficiente de transmissão direta em função da frequência para dois modelos
de antenas loop com diferentes tamanhos. 64
Figura 3.20 – Comparação do efeito da distância de separação das antenas no (A)
coeficiente de reflexão da porta de entrada e no (B) coeficiente de transmissão
direta em função da frequência. 66
Figura 3.21 – Efeito do substrato das antenas no (A) coeficiente de reflexão da porta de entrada e no (B) coeficiente de transmissão direta em função da frequência. 67
Figura 3.22 – Modelo antena tipo patch. 68
Figura 3.23 – Modelo da antena tipo patch truncado pelas camadas PML. 69 Figura 3.24 – Esquematização das alterações efetuadas ao modelo 2 para a análise da
influência de vários parâmetros no desempenho da antena tipo patch. 70 Figura 3.25 – Coeficiente de reflexão da porta de entrada para dois modelos de antena
patch com diferentes tamanhos. 71
Figura 3. 26 – Comparação da influência da permitividade relativa do substrato no
desempenho da antena patch. 71
Figura 3.27 – Influência da espessura do substrato no desempenho da antena patch. 72
CAPÍTULO 4
Figura 4.1 – Permitividade relativa dos tecidos biológicos em função da frequência
(adaptada de Gabriel (1996)). 76
Figura 4.2 – Condutividade relativa dos tecidos biológicos em função da frequência
(adaptada de Gabriel (1996)). 76
Figura 4.3 – Penetração da radiação EM nos tecidos biológicos em função da frequência
(adaptada de Sani (2010)). 77
Figura 4.4 – Fantoma líquido de corpo inteiro (retirada de SPEAG (s.d.)). 79 Figura 4.5 – Exemplo de fantoma semissólido do busto humano (retirada de Hall & Hao
(2012). 80
Figura 4.6 – Fantoma sólido da cabeça humana (retirada de Hall & Hao (2012)). 81 Figura 4.7 – Exemplo de fantoma teórico (retirada de Mobashsher & Abbosh (2015). 82
XVI
Figura 4.9 – Identificação das três camadas distinguidas na cabeça humana (A) ilustração de um plano axial da cabeça humana (B) pormenor do plano da cabeça. 84 Figura 4.10 – Modelos 3D da cabeça humana criados a partir de imagens CT (A) modelo
homogéneo; (B) modelo heterogéneo de duas camadas; (C) modelo
heterogéneo de três camadas. 85
Figura 4.11 – Enchimento do molde do modelo homogéneo da cabeça com silicone e
desmantelamento do mesmo. 86
Figura 4.12 – Modelo homogéneo da cabeça construído em silicone, visto em várias
perspetivas. 86
Figura 4.13 – Fantomas homogéneos construídos em silicone liquido, gesso e silicone
comum (da esquerda para a direita). 87
Figura 4.14 – Construção do modelo do cérebro, nas figuras acima ilustra-se o abate do molde e nas figuras abaixo o aspeto final do modelo. 88 Figura 4.15 – Aspeto do modelo do crânio dividido ainda dividido em várias peças. 89 Figura 4.16 – Construção da camada mais externa do fantoma da cabeça (A)
posicionamento do crânio no interior do molde; (B) abate do molde; (c) e (D) Aspeto final do modelo dividido em duas peças segundo a linha de apartação.
89 Figura 4.17 – Resultado final da construção do fantoma físico. 90 Figura 4.18 – Modelo físico para simulação numérica da interação das antenas loop com o
modelo da cabeça humana SAM. 92
Figura 4.19 – Modelo de antenas loop com substrato em forma de toroidal de secção
retangular utilizado para simulação numérica com o modelo SAM. 93 Figura 4.20 – Comparação do (A) Coeficiente de reflexão da porta de entrada e (B)
Coeficiente de transmissão direta para antenas operando no espaço livre e
com fantomas. 96
Figura 4.21 – Comparação do (A) Coeficiente de reflexão da porta de entrada e (B)
Coeficiente de transmissão direta em função da frequência para dois modelos de antenas loop com diferentes formas de substrato. 97 Figura 4.22 – Distribuição do campo elétrico: (A) antenas loop construídas em substrato com
forma quadrangular; (B) antenas loop construídas em substrato com forma
XVII Figura 4.24 – Distribuição da temperatura: (A) antenas loop construídas em substrato com
forma quadrangular; (B) antenas loop construídas em substrato com forma
toroidal de secção retangular. 99
Figura 4.25 – Modelo físico, truncado pelas camadas PML para a simulação da antena patch
(A) com o modelo SAM (B) com o modelo CT. 100
Figura 4.26 – Coeficiente de reflexão da porta de entrada para a antena patch simulada no espaço livre e na presença dos modelos SAM e CT. 102 Figura 4.27 – Distribuição da SAR na frequência de ressonância da antena patch aquando
da simulação com o modelo SAM. 102
Figura 4.28 – Intensidade do campo elétrico da antena pacth em interação com o modelo SAM para uma tensão de entrada de (A) 1V e (B) 45.5V. 103 Figura 4.29 – Distribuição da temperatura no caso da antena pacth em interação com o
modelo SAM para uma tensão de entrada de (A) 1V e (B) 45.5V. 103 Figura 4. 30 – Distribuição do campo elétrico no modelo SAM ao longo do plano (A)
perpendicular e (B) tangencial à antena patch. 104 Figura 4.31 – Distribuição da (A) SAR, numa escala logarítmica e da (B) temperatura no
modelo SAM, para uma antena patch operando a 402,5 MHz, à qual é
fornecida uma tensão de entrada de 200 V. 104
CAPÍTULO 5
Figura 5.1 – Distinção entre passo e passada. 108
Figura 5.2 – Períodos do ciclo do caminhar (retirada de Barbosa (2011)). 108 Figura 5.3 – Deslocamento do COM durante uma passada, onde a é o deslocamento
lateral na horizontal, b o deslocamento vertical e c a combinação dos deslocamentos a e b no plano perpendicular ao de projeção (retirada de http://www.geocities.ws/orthomanus2000/marcha2.htm). 109 Figura 5.4 – Modelos da marcha humana (A) Modelo dos seis determinantes e (B)
Modelo do pêndulo invertido (retirada de Kuo (2007)). 109 Figura 5.5 – Acelerómetro uniaxial (retirada de Luinge (2002)). 114 Figura 5.6 – Acelerómetro triaxial projetado por Lötters et. al. (retirada de Luinge (2002)).
XVIII
irá sofrer um (pequeno) de deslocamento adicional (retirada de Luinge
(2002)). 115
Figura 5.8 – Construção de um sensor inercial por fusão de sensores (retirada de Luinge
(2002)). 116
Figura 5.9 – Fusão de sensores utilizando um filtro de kalman (adaptada de Luinge
(2002)). 117
Figura 5.10 – Filtro de Kalman para fusão de sensores inerciais contendo magnetómetro
(adaptada de Luinge (2002)). 117
Figura 5.11 – Sistema de aquisição de dados da XSens. 120 Figura 5.12 – Cálculo do centro de massa (COM) da criança. 121 Figura 5.13 – Orientação dos eixos do sensor inercial. 121 Figura 5.14 – Puzzle que a criança foi completando durante a tarefa 1. 122 Figura 5.15 – Aceleração vertical medida pelo sensor colocado sobre a zona do sacro e
identificação dos picos correspondentes às passadas. 123 Figura 5.16 – Resultados da aceleração vertical média para o sensor colocado sobre o
sacro. 124
Figura 5.17 – Modelos descritos pelo caminhar da criança. 126
APÊNDICE A
Figura A.1 – Passos da reconstrução de modelos 3D: (i) criação da pilha; (ii) segmentação
da fronteira; e (iii) construção da malha. 148
Figura A.2 – Modelo 3D da cabeça humana completo obtido com o software 3D Doctor, visível a partir dos ficheiros STL construídos. 148 Figura A.3 – Vista individual do modelo 3D e cada um dos tecidos biológicos gerados: (i)
Superfície delimitada pela pele; (ii) Crânio; (iii) Cérebro. 149 Figura A.4 – Ilustração de interferências em imagem médica. 150 Figura A.5 – Influência das interferências existentes nas imagens médicas na segmentação
interativa. 150
Figura A.6 – Aspeto do modelo 3D do crânio não corrigindo a segmentação das imagens de
XIX
pele/superfície. 154
Figura A. 9 – Segmentação interativa da camada mais externa, correspondente à superfície
da pele. 155
Figura A.10 – Seleção da ROI para a segmentação do cérebro. 156
Figura A.11 – Segmentação interativa do Cérebro. 157
Figura A. 12 – Alteração do contraste das imagens de modo a só ficar visível o osso do
crânio. 159
Figura A.13 – Segmentação interativa do crânio. 159
Figura A.14 – Segmentação interativa do crânio. 161
APÊNDICE B
Figura B.1 – Ilustração de um dos passos intermédios para a constrição da antena loop. 168 Figura B.2 – Modelo físico final para a simulação de antenas loop com fantoma SAM. 170 Figura B.3 – Definição do estudo no eletromagnético no domínio das frequências. 177 Figura B.4 – Estudo no estado estacionário da função térmica. 177
XXI
CAPÍTULO 2
Tabela 2.1 – Exemplos de dispositivos WBAN e sua finalidade. 20 Tabela 2.2 – Alguns sensores usados nas WBAN médicas (adaptada de Brandão (2012)). 22 Tabela 2.3 – Alguns sensores usados nas WBAN médicas (adaptada de Brandão (2012)). 24
Tabela 2.4 – Principais requisitos das WBAN. 24
Tabela 2.5 – Comunicações padrão utilizadas para telemetria médica (adaptada de Fish &
Richardson (2013)). 29
Tabela 2.6 Bandas de frequência para WBAN in-body e on-body (adaptada de Movassaghi,
et al. (2014)). 30
CAPÍTULO 3
Tabela 3.1 – Tipos de transferência de energia sem fio e as suas principais características. 47 Tabela 3.2 – Características físicas de dois modelos loop utilizados na simulação numérica.
61 Tabela 3.3 – Características físicas de dois modelos loop, utilizados na simulação numérica,
cujas antenas secundárias foram miniaturizadas em relação às primárias. 62 Tabela 3.4 – Características físicas de dois modelos tipo patch utilizados na simulação
numérica. 69
CAPÍTULO 4
Tabela 4.1 – Os valores de SAR segundo normas e diretrizes internacionais (adaptada de
(Morega, Marinescu, & Morega (2010). 75
Tabela 4. 2 – Características do par de antenas loop com substrato quadrangular utilizado
na simulação com o modelo SAM. 93
Tabela 4. 3 – Características da antena patch utilizada para a simulação com os modelos da
XXII
Tabela 5.2 – Parâmetros α e β que caracterizam os modelos do caminhar da criança com
PC. 125
APÊNDICE A
Tabela A. 1 – Dimensões dos modelos 3D gerados obtidas no software 3D Doctor. 151
APÊNDICE B
Tabela B.1 Definição de parâmetros gerais 165
Tabela B.2 – Tabela para definição da função de interpolação. 171
Tabela B.3 – Definição das variáveis do estudo. 172
Tabela B.4 – Definição do material das antenas. 173
XXIII
SIMBOLOGIA
𝑎𝑣
̅̅̅ Aceleração vertical média de um percurso erad Eficiência de radiação
G𝑅𝑋 Ganho da antena recetora (externa) G𝑇𝑋 Ganho da antena emissora (interna) PRX Potência recebida pela antena externa PTX Potência transmitida antena interna
𝐵1 Campo de indução magnética
𝐷𝑀 Dimensão maior da antena
𝐸0 Campo elétrico da onda incidente no plano 𝐾0 Número de onda no espaço livre
𝑀12 Indutância mútua 𝑃𝑟 Potência recebida 𝑃𝑟𝑎𝑑 Potência irradiada 𝑃𝑟𝑒𝑓 Potência refletida 𝑃𝑡 Potência transferida 𝑅𝐿 Perda da antena 𝑅𝑒𝑓𝑓 Resistência efetiva 𝑅𝑟𝑎𝑑 Resistência à radiação 𝑅𝑡 Resistência aos terminais 𝑆1, 𝑆2 Superfícies
𝑆11 , Γ Coeficiente de reflexão da porta de entrada 𝑆12 Coeficiente de transmissão inversa
𝑆21 Coeficiente de transmissão direta
𝑆22 Coeficiente de reflecção da porta de saída 𝑈0 Intensidade de radiação da antena isotrópica 𝑊𝑟𝑎𝑑 Densidade de radiação
𝑎𝑣 Aceleração vertical
𝑓𝐶 Força de Coriolis
𝑘𝑓 Fator de acoplamento 𝑜𝐴,𝑛 Acerto do zero (offset)
𝒀𝑨
𝑺 Saída do sinal vetorial
𝜀𝑟 Permitividade relativa 𝜂𝑖𝑛𝑘 Eficiência da ligação indutiva 𝜇0 Permeabilidade magnética relativa
𝜔𝑚 Velocidade angular
|𝑎𝑣| Valor absoluto da aceleração vertical
∆ Alinhamento lateral ∆𝑇𝑡 Intervalo de tempo E Campo elétrico ℎ Altura do indivíduo M Campo Magnético N Número de espiras PL Perdas de percurso t Tempo V Volume
α, β Parâmetros do padrão do caminhar
Δ𝑇 Incremento de temperatura Δ𝑡 Intervalo de tempo 𝐶 Capacitância 𝐷 Direcionalidade 𝐹 Força restauradora 𝐺 Ganho 𝐼 Intensidade de corrente 𝐿 Indutância 𝑃 Potência 𝑃𝐿 Perdas de percurso 𝑄 Fator de qualidade 𝑅 Resistência
𝑅 Maior distância até à superfície da antena
𝑅𝐿 Perdas de retorno
𝑆𝐿 Comprimento do passo
XXV 𝑋 Reatância 𝑍 Impedância da antena 𝑎 Aceleração 𝑐 Capacidade térmica 𝑑 Distância 𝑑Ω Ângulo sólido 𝑑𝐴 Área infinitesimal 𝑔 Gravidade 𝑖 Corrente 𝑚 Massa 𝑟 Raio 𝑠𝑟 Esterradiano 𝑣 Velocidade instantânea 𝑥 Elongação 𝒅𝒂 Elemento de área 𝒏 Vetor unitário 𝜆 Comprimento de onda 𝜌 Massa específica 𝜎 Condutividade elétrica 𝜑 Alinhamento angular 𝜔 Frequência angular 𝜙 Fluxo
ABREVIATURAS E ACRÓNIMOS
2D Duas dimensões 3D Três dimensões, tridimensional AVC Acidente vascular cerebralCOM Centro de massa
CT Tomografia computorizada
EM Eletromagnético(a)
EMG Eletromiografia
ERAH Engenharia de Reabilitação e Acessibilidade Humanas
FCC Comissão federal das comunicações (Federal Communications
Commission)
FES Estimulação elétrica funcional
GPS Sistema de Posicionamento Global (Global Positioning System) IEEE Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrotécnicos
IMD Dispositivos médicos implantáveis
IMUs Unidades de medida inercial (Inertial measurement units)
INE Instituto Nacional de Estatística ISM Banda Industrial, Científica e Médica LOS Linha de vista (Line Of Sight)
MBAN Redes Médicas na Área do Corpo (Medical Body Area Networks) MDRS Serviço de Radiocomunicação de Dispositivos Médicos Medical
(Devices Radiocommunications Service)
MEMS Sistemas microeletromecânicos (Microelectromechanical Systems) MICS Serviço de comunicação com implantes médicos (Medical Implant
Communication Service)
MIT Massachusetts Institute of Technology
MMN Rede de Micropotência Médica (Medical Micropower Networks) MRI Ressonância magnética (Magnetic resonance imaging)
NLOS Fora da linha de visão (Non-Line-of-sight) PAN Rede de área pessoal (Personal Area Network)
PC Paralisia cerebral
PCB Placas de circuito impresso
PDA Assistente pessoal digital (Personal Digital Assistant)
PML Perfectly Matched Layer
PS Servidor pessoal (Personal Server)
PTFE Politetrafluoretileno QoS Qualidade do Serviço
RF Radiofrequência
SAR Taxa de absorção específica (Specific Absorption Rate)
SP Série – paralelo
XXVII WBAN Redes sem fio na área do corpo (Wireless Body Area Network)
WHO Organização Mundial de saúde (World Health Organization) WiMax Interoperabilidade mundial para acesso micro-ondas (World
Interoperability for Microwave Access)
WLAN Wireless Local Area Network
WMAN Wireless Metropolitan Area Network
WMTS Serviços Sem Fio de Telemetria Médica (Wireless Medical Telemetry
System)
WPAN Rede sem fio na área pessoal (Wireless Personal Area Network)
WPT Transferência de energia sem fio (Wireless Power Transfer) WSN Redes de sensores sem fios (Wireless Sensor Networks)
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
1.1
INTRODUÇÃO
O aumento da esperança média de vida e as carências a ele associadas, além das doenças crónicas e outras patologias de caráter temporário, têm evidenciado a necessidade de novas respostas nos cuidados de saúde, quer em ambiente hospitalar quer em ambulatório. Por outro lado, o avanço da ciência e da tecnologia e a miniaturização dos circuitos eletrónicos integrados (chip) e sistemas microeletromecânicos (MEMS – microelectromechanical
systems), bem como a diminuição de custos tornaram possível pensar numa geração de
sensores e atuadores, que podem ser “vestidos” ou implantados e, de certa forma, permitem responder a essas necessidades. Estas novas aplicações podem ganhar ainda mais relevância e eficácia se ligadas a redes de comunicação sem fios.
As redes de dispositivos de comunicação sem fios implantadas, “vestíveis” (wearable, integrados no vestuário), ou usadas na proximidade do corpo humano designam-se por redes sem fios na área do corpo, WBAN – Wireless Body Area Network (Hall & Hao, 2012). Os dispositivos que operam nestas redes têm inúmeras aplicações, nomeadamente, na área da saúde e reabilitação, pois permitem o diagnóstico, monitorização e mesmo intervenção terapêutica (Bashirullah, 2010); podem ainda ser suportes básicos de vida, como é o caso dos
pacemakers (Denning, et al., 2010).
Para não limitar ou condicionar a mobilidade do indivíduo, estes dispositivos têm de ser necessariamente pequenos e leves, o que restringe o espaço disponível para a antena de
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comunicação. A antena de um dispositivo sem fios é a componente responsável pela receção e transmissão do sinal. Quer nas comunicações sobre o corpo (on-body) quer através do corpo (in-body), as perdas de sinal são mais significativas do que através do ar, pois os tecidos do corpo humano podem influir (absorver, defletir, difratar e dispersar) o sinal emitido pela antena (Chandra, 2014).
Embora o conhecimento sobre a utilização desta tecnologia sem fios esteja bastante divulgado, e a comunidade científica reconheça as potencialidades e comodidade da sua utilização, existem ainda vários aspetos em que a utilização na proximidade do corpo humano exige aprofundamento (Brandão, 2012). Há a necessidade de conciliar diversos fatores, como o tamanho, o baixo consumo de energia, a eficácia e eficiência, a segurança e o cumprimento dos requisitos regulamentares, nomeadamente, da taxa de absorção específica (SAR –
Specific Absorption Rate), que mede a taxa de energia absorvida eventualmente causadora
de danos e efeitos adversos. No caso específico dos dispositivos implantáveis deve acrescentar-se o desafio dos materiais utilizados serem inócuos para o meio biológico (Khan & Hussain, 2009).
Relativamente aos dispositivos médicos implantáveis (IMD – Implantable Medical Device) que requerem alimentação para desempenharem a sua função, têm sido realizadas várias pesquisas para o fornecimento transcutaneamente, sendo a ligação de radiofrequência (RF) por acoplamento indutivo a mais referenciada (Sawan, et al., 2009). No entanto, estas ligações necessitam de ser otimizadas, pois a sua utilização de forma contínua impõe restrições em questões de segurança, estética e conforto para o paciente (Silva, 2012). As ligações indutivas planas flexíveis são, na atualidade, as mais discutidas na literatura porque permitem a compactidade e a fácil adaptação à forma anatómica.
Por outro lado, a avaliação da SAR e dos efeitos das ondas eletromagnéticas (EM) sobre o tecido biológico, por questões de ética e segurança, não podem ser testados diretamente em humanos vivos, pelo que, é necessário recorrer a soluções alternativas, como os fantomas, modelos anatómicos do corpo. Os fantomas podem ser um modelo numérico computacional ou uma mímica física dos tecidos, mas são um meio fundamental para a avaliação de soluções com dispositivos geradores de radiação RF (Alrawashdeh, Huang, & Xu).
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1.2
MOTIVAÇÃO E CONTRIBUIÇÕES DA DISSERTAÇÃO
A principal motivação para o desenvolvimento deste trabalho é a crescente utilização da moderna tecnologia WBAN e o reconhecimento do seu elevado potencial para o desenvolvimento de aplicações na área da Engenharia de Reabilitação e Acessibilidade Humanas (ERAH).
Este trabalho apresenta a tecnologia WBAN, ilustrando a sua aplicabilidade, nomeadamente na área médica e da reabilitação. Assim como, os desafios na conceção de antenas para a comunicação destes sistemas, impostos, principalmente, pelo meio em que operam. Sendo um dos objetivos, deste trabalho, identificar os principais parâmetros que influenciam o desempenho das antenas de comunicação, principalmente com geometrias que permitam o desenvolvimento de antenas implantáveis, utilizando, essencialmente, geometrias planas (duas dimensões, 2D).
É apresentado o estudo de modelização da função de acoplamento de circuitos indutivos, uma vez que este é referenciado como o principal método utilizado para a comunicação sem fio. Este estudo permite a descrição paramétrica realista das antenas de comunicação, de modo a descrever um design mais eficaz e compacto, das mesmas.
A concretização de antenas implantáveis, mais eficazes, tem potencial para conceber uma nova geração de aplicações, nomeadamente, no âmbito da reabilitação e acessibilidade humanas. Por outro lado, a bondade das soluções encontradas só pode ser demonstrada pelo conhecimento efetivo das taxas de absorção da radiação eletromagnética, proveniente das antenas nos tecidos das diferentes partes do corpo humano. Como se disse, essa quantificação é feita com fantomas. Por isso, outro objetivo do trabalho foi a construção de fantomas numéricos e físicos para a avaliação realista da SAR.
O último grande objetivo fixado foi a demostração do potencial de aplicabilidade prática destes sistemas WBAN para soluções no âmbito da Engenharia de Reabilitação e Acessibilidade Humanas. Com esse fim específico foi realizada a monitorização do desempenho biomecânico de um indivíduo envolvido num programa de reabilitação motora, na valência da fisioterapia, no centro hospitalar de Trás-os-Montes e Alto Douro, em Vila Real. Fez-se uma monitorização de movimentos do caminhar em regime de ambulatório, sem a necessidade de câmaras ou de sistemas de localização auxiliares, recorrendo aos chamados sensores inerciais. A utilização de tecnologia sem fios permite monitorizar o indivíduo sem acessórios
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incómodos. Por outro lado, mostra-se o potencial do desenvolvimento de protocolos para a avaliação auxiliar de programas de reabilitação de forma expedita, mais fiável e eficaz.
1.3
DIAGRAMA ORGANIZACIONAL DE TRABALHO
O diagrama apresentado a baixo, na figura 1.1, expõe a organização estrutural genérica deste trabalho, ilustrando as várias etapas, descritas seguidamente, nas quais este se baseou. De salientar, que esta divisão não corresponde à realizada na estruturação da dissertação.
Figura 1.1 – Organização estrutural genérica do trabalho realizado (a organização não corresponde à realizada na estruturação da dissertação).
Mo de liz aç ão de A nte na s de Com un ic aç õe s S em F io na Á rea do Cor po e Des en v ol v im en to de um a A pl ic aç ão pa ra E ng en ha ri a de Reab ili taç ão
Estado de arte das redes WBAN
Coceito: WBAN
Aplicações Reabilitação
Desafios Aplicação das WBAN na
Reabilitação
Reabilitação motora
Sensores Inerciais
Antenas para redes WBAN Parâmetros básicos Comunicação e propagação de sinal On-body In-body Comunicação Transferência de dados Transferência de energia
Fantomas Construção de modelos 3D
Físicos Numéricos Simulação computacional de Antenas Computacional Espaço Livre Fantomas
5 A primeira etapa, esquematizada na figura 1.1, consistiu no estudo do estado de arte das redes WBAN, onde se pretendeu (i) analisar o conceito destas redes; (ii) identificar a sua aplicabilidade na área médica, concretamente na área da reabilitação e acessibilidade humanas; e (iii) identificar as dificuldades de implementação destas redes.
Aquando da realização da primeira etapa identificou-se uma das possíveis aplicações das redes WBAN na área da ERAH. As redes WBAN podem ser particularmente úteis em protocolos de reabilitação motora de indivíduos com paralisia cerebral (PC). Assim, implementou-se um estudo prático utilizando sensores inerciais da XSens (2013) para a aquisição de dados inerciais de um indivíduo com PC inserido num programa de reabilitação física. Os dados adquiridos foram tratados a posteriori. O objetivo do estudo era demonstrar o potencial das redes WBAN no âmbito da ERAH não só no ambiente laboratorial como também em ambiente ambulatório.
A terceira etapa consistiu na análise dos desafios impostos às antenas para dispositivos WBAN devido, principalmente, ao meio no qual estes dispositivos operam. Assim, (i) realizou-se uma análirealizou-se genérica aos parâmetros das antenas que influenciam o realizou-seu derealizou-sempenho; (ii) fez-se a análise das antenas e da propagação do seu sinal nos cenários sobre e dentro do corpo humano (on-body e in-body, respetivamente),uma vez que estes cenários são identificados como os mais desafiadores; e (iii) fez-se o estudo dos métodos que as antenas podem utilizar para comunicar (transferir dados e energia), onde se deu mais ênfase ao estudo do acoplamento indutivo, uma vez que este é referenciado como sendo um dos meios que permite estabelecer ambas as comunicações.
Após o desenvolvimento da tecnologia sem fios, e para que esta possa ser implementada, o seu funcionamento tem de ser validado. Uma vez que estes dispositivos não podem ser testados diretamente nos humanos vivos, uma das soluções para a sua validação é a simulação dos dispositivos em fantomas. Assim, a quarta etapa consistiu no estudo e construção de fantomas humanos.
Por fim, a última etapa pressupôs a simulação computacional de antenas para dispositivos WBAN, quer no espaço livre quer em fantomas. De modo, (i) a analisar a influência dos tecidos biológicos no desempenho das antenas; assim como (ii) avaliar os efeitos térmicos induzidos pela ondas EM, geradas nas antenas, nos tecidos biológicos.
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1.4
ESTRUTURA DO TRABALHO
Depois desta introdução, Capítulo 1, apresenta-se uma revisão bibliográfica sobre as WBAN (Capítulo 2). Primeiro, descreve-se a sua arquitetura e os possíveis cenários de operação das aplicações WBAN. Posteriormente, evidencia-se o seu elevado potencial e aplicabilidade na área da saúde, nomeadamente, no campo da reabilitação e acessibilidade humanas, ilustrado com alguns exemplos. Mostram-se também os principais requisitos desta tecnologia, bem como, as suas, ainda, existentes limitações. Terminando o capítulo com a abordagem das bandas de frequência destas aplicações.
No Capítulo 3 abordam-se os desafios no desenvolvimento das antenas utilizadas para comunicação das WBAN e identificam-se os parâmetros de design que permitem caracterizar o seu desempenho. É também analisado o acoplamento indutivo, como principal método de comunicação com dispositivos WBAN, concretamente dispositivos IMD. No final deste capítulo realiza-se a simulação, no espaço livre, de dois tipos de antenas, com diferentes modos de funcionamento, para dispositivos WBAN utilizados sobre e no interior do corpo. O objetivos destas simulações é analisar a influência dos parâmetros de design das antenas no seu desempenho.
O Capítulo 4 é dedicado à avaliação da SAR e à construção de fantomas para avaliação dos dispositivos. Em primeiro lugar, descreve-se a SAR e as principais características dos tecidos biológicos que a influenciam. Posteriormente, discutem-se os possíveis fantomas. Faz-se a demonstração de conceito para a construção de fantomas físicos para trabalho experimental e validação de fantomas numéricos. Finalmente, utiliza-se um fantoma numérico para a simulação dos dispositivos discutidos no capítulo 3.
O Capítulo 5 demostra a aplicabilidade da tecnologia sem fios para a monitorização do andar humano, através da inovadora tecnologia de rastreamento inercial em três dimensões (3D), utilizando um sistema de sensores inerciais da XSens. Faz-se uma breve caracterização do caminhar humano e do funcionamento dos sensores inerciais. De seguida descreve-se a metodologia e os resultados obtidos da utilização destes sensores para monitorar e caracterizar o caminhar de uma criança com paralisia cerebral (PC) atáxica, evidenciando uma forma fácil e quantitativa de descrever o problema, e que aplicado em continuidade poderia servir para caracterizar a evolução do programa terapêutico.
7 Por último, no Capítulo 6, faz-se uma síntese geral do trabalho realizado, das principais conclusões e dificuldades encontradas. Conclui-se com as perspetivas futuras nesta área de trabalho e investigação aplicada principalmente em Tecnologias de Reabilitação Humana.
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CAPÍTULO 2
Redes Sem Fio na Área do Corpo - WBAN
Neste capítulo faz-se uma revisão do estado-de-arte das redes WBAN. Após a introdução do conceito é descrita a arquitetura destes sistemas, seguida dos possíveis cenários de operação. Posteriormente, mostra-se o seu potencial na área da saúde, com a enumeração de alguns dispositivos desenvolvidos e outros ainda em desenvolvimento. Evidenciam-se alguns dos desafios na conceção destes sistemas, impostos principalmente pelas características de compactidade e mobilidade, para utilização dentro, sobre, ou fora do corpo humano. Para finalizar identificam-se as bandas de frequência em que os dispositivos WBAN podem operar.
2.1
CONCEITO DE WBAN
As redes sem fio na área do corpo (WBAN – Wireless Body Area Network) consistem em dispositivos inteligentes monitorizados capazes de medir, processar e comunicar, entre si ou com uma base externa (Crosby, et al., 2012). A sua origem remonta a 1996, quando Zimmerman introduziu o conceito de rede de área pessoal (PAN - Personal Area Network), como sendo um sistema de comunicação sem fios que permite aos dispositivos eletrónicos no e perto do corpo humano trocarem informações. Mais tarde, o termo WBAN surgiu, para designar uma rede de dispositivos sem fio, cuja comunicação ocorre dentro, sobre, ou na proximidade do corpo. Estas redes podem fazer uso das tecnologias WPAN (WPAN –
10
Wireless Personal Area Network), ou outras, para comunicar a distâncias mais longas (Yuce
& Khan, 2012), como ilustrado mais à frente na figura 2.1.
No fundo, as WBAN representam uma subcategoria das redes de sensores sem fio (WSN -
Wireless Sensor Networks), mas cujo canal de propagação do sinal se estabelece através do
corpo humano, ou sobre o mesmo. Assim, além das preocupações inerentes às WSN comuns, possuem outras características importantes. Nomeadamente, podem operar em meios de transmissão com bastante perda energética e transmitir dados médicos, pelo que o seu tratamento deve ser quase em tempo real, seguro e confidencial. Pois, quando se fala de informação médica, a vida do paciente pode depender da resposta destas redes. Assim é essencial que a resposta a um alerta seja rápida e adequada à situação; é fundamental uma correta identificação de dados, não podendo ocorrer falhas ou incorreções. Mesmo em caso de avaria, o sistema deverá continuar a ser seguro, não colocando em risco de vida o utilizador. Por fim os dados devem ser confidenciais de modo a garantir a privacidade do indivíduo. Estas exigências requerem estudo e novas propostas no projeto das redes de modo a melhorá-las cada vez mais e aumentar a sua segurança e fiabilidade (Motoyama, s.d.).
2.2
ARQUITETURA DAS REDES WBAN
As redes WBAN são constituídas por dispositivos independentes com capacidade de comunicação, os chamados nós, (Movassaghi, et al., 2014). Os dispositivos são colocados em locais estratégicos dentro, ou sobre o corpo humano, para recolher parâmetros biológicos. Posteriormente os dados são enviados para uma estação central (por exemplo, um
smartphone ou um computador), onde são tratados e interpretados de acordo com a aplicação
que lhe está associada (Arya & Bilandi, 2014). Como já se referiu, as redes WBAN podem ser associadas com outras redes para executar a sua função final (Latré, et al., 2011). Por exemplo, na figura 2.1 está representada a relação de comunicação das WBAN com outras redes sem fio.
11 Figura 2.1 – Comunicação entre WBAN e outras redes sem fio, nomeadamente WPAN – Wireless Personal Area Network; WLAN – Wireless Local Area Network; WMAN – Wireless Metropolitan Area
Network e WAN – Wide Area Network (adaptada de Latré et al. (2011)).
A arquitetura das redes WBAN pode ser dividida em duas categorias: arquitetura horizontal (flat) e arquitetura multiníveis (multi-tier). A primeira, na figura 2.2, é composta por uma unidade de recolha de dados, que os envia para um computador pessoal ou um aplicativo de servidor pessoal (PS – Personal Server) em execução num PDA (Personal Digital Assistant). A segunda categoria, representada na figura 2.3, recolhe dados de vários sensores (nível 1 – n1), que são reunidos numa entrada (nível 2 – n2), que serve de interface com um servidor (nível 3 – n3). Na prática, a arquitetura multinível é a mais utilizada (Crosby, et al., 2012).
Figura 2.2 – Arquitetura horizontal (flat) das WBAN (adaptada de Crosby, et al. (2012)). Distância de comunicação
Dispositivo Pessoal Sensor
Ligação de comunicação sem fio
Servidor em um PDA Recolha de dados Nó 1 Recolha de dados Nó 2 Recolha de dados Nó n Recolha de dados Nó 3
12
Figura 2.3 – Arquitetura multiníveis (multi-tier) das WBAN (adaptada de Crosby, et al. (2012)). Relativamente à arquitetura multiníveis, o nível 1 compreende especialmente sensores fisiológicos, sendo que vários sensores fisiológicos podem compartilhar um único nó de rede sem fios. Os nós da rede coletam e processam informação em bruto, armazenando-a localmente e enviando-a para o PS (Jovanov, et al., 2005). O nível 2, como referido, constitui a interface entre os níveis inferior (nível 1) e superior (nível 3). Este nível, intermédio, compreende um PS, responsável por uma série de tarefas, nomeadamente a configuração e gestão de rede. De acordo com as informações recebidas, o PS deve determinar, por exemplo, alterações fisiológicas do utilizador e fornecer respostas. Se o canal de comunicação com o servidor de nível 3 estiver disponível, o PS estabelece uma ligação segura trocando informação. Caso contrário, o PS deve ser capaz de armazenar os dados localmente e iniciar a sua transferência apenas quando a ligação estiver disponível (Movassaghi, et al., 2014). Por último, o nível 3 pode incluir servidores médicos, prestadores de cuidados informais e servidores de emergência, sendo que o serviço pode emitir recomendações ou alertas (Milenkovic, et al., 2006). Na figura 2.4 está representada uma arquitetura multiníveis de comunicação dentro das redes WBAN e entre as múltiplas camadas.
Gateway (Entrada) Recolha de dados Nó 1 Recolha de dados Nó 2 Recolha de dados Nó n Recolha de dados Nó 3 Aplicação de servidor em execução em um PDA n1 n2 n3
13 Figura 2.4 – Exemplificação da comunicação por níveis das WBAN (adaptada de Movassaghi, et al.
(2014)).
Durante a sua operação, as redes WBAN, exigem energia suficiente para garantir uma operação segura e fiável. Dependendo da situação e da aplicação, o tráfego das WBAN pode ser classificado como “a pedido” (on-demand), de emergência e normal. O primeiro é iniciado, por exemplo, por um médico para adquirir informações do paciente, podendo ser contínuo ou descontínuo. O tráfego de emergência é aprovado pelos nós quando se excede um limiar pré-definido e deve ser acomodado em menos de um segundo (isto é, de imediato). Este tipo de tráfego não é gerado em intervalos regulares e é totalmente imprevisível. O tráfego normal, é o tráfego de dados numa condição normal, exceto em situações críticas ou “a pedido”, este tipo de tráfego pode ser alto ou baixo de acordo com os requisitos específicos da aplicação (Ullah, et al., 2009).
14
2.3
CENÁRIO DAS REDES WBAN
As comunicações na rede WBAN podem ser classificadas segundo a sua posição em relação ao corpo (Hall & Hao, 2012), como:
(i) Fora do corpo (off-body) – O domínio fora do corpo, designa as aplicações onde apenas a antena de comunicação se encontra sobre o corpo e a maior parte do canal de comunicação encontra-se fora ou na vizinhança deste. Neste caso, há a comunicação entre pequenos sensores portáteis e dispositivos externos, podendo ocorrer em ambos os sentidos. O dispositivo externo pode ser, por exemplo, um computador. Os dados recolhidos podem ser analisados em tempo quase real ou a
posteriori (figura 2.5 (A));
(ii) Sobre o corpo (on-body) – O domínio sobre corpo, designa as aplicações em que a maioria do canal e a antena de comunicação estão sobre a superfície do corpo. Neste cenário, os dispositivos colocados em diferentes locais do corpo comunicam uns com os outros (figura 2.5 (B));
(iii) Dentro do corpo (in-body) – O domínio dentro do corpo, designa as aplicações onde grande parte do canal se encontra dentro do corpo e onde são usados dispositivos implantados. Este cenário refere-se aos casos em que há a comunicação entre dispositivos que se encontram dentro do corpo, com dispositivos que estão à sua superfície ou à sua volta. O dispositivo colocado dentro do corpo pode ser implantado ou não. Como é, por exemplo, o caso da cápsula endoscópica. Este dispositivo,
in-body, tem necessidade de comunicar com outro, que pode ser colocado sobre o corpo
(on-body) ou na proximidade do corpo (off-body) (figura 2.5 (C)).
Além destes cenários de operação pode ainda ser considerado um quarto cenário denominado body to body. É semelhante aos cenários off-body, com a diferença de que a comunicação ocorre entre dispositivos portáteis ou “vestíveis” que estão colocados em indivíduos diferentes, como ilustrado na figura 2.5 (D), (Chandra, 2014).
15 Figura 2.5 – Cenários de comunicação das WBAN (A) Off-body, (B) On-body, (C) In-body (D) Body to
Body.
2.4
APLICAÇÕES DAS REDES WBAN
Os cenários apresentados podem funcionar em ambientes clínicos e laboratoriais, mas a sua grande vantagem e potencialidade é a de operação em ambiente ambulatório, livre de fios de ligação, oferecendo maior conforto, comodidade e liberdade ao utilizador. Esta vantagem permite alargar a aplicabilidade destes sistemas a diversos campos.
O grupo de estudos 802.15.6, do Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrónicos (IEEE), classifica as aplicações WBAN em dois grandes grupos: (i) aplicações médicas e (ii) aplicações não médicas; como esquematizado na figura 2.6, (Kwak, et al., 2010).
16
Figura 2.6 – Classificação das aplicações WBAN médicas e não médicas (adaptada de Kwak, et al. (2010)).
A tecnologia das WBAN é particularmente útil no campo da saúde, uma vez que permite monitorizar, diagnosticar, controlar, alertar e auxiliar em tratamentos e terapias, assim como, ajudar a salvar vidas (Bilstrup, 2008).
Segundo dados da Organização Mundial de saúde (WHO – World Health Organization), as doenças cardiovasculares são a principal causa de morte em todo o mundo, só em 2012 provocaram 17,5 milhões óbitos (World Health Organization (WHO), 2014). De acordo com a mesma fonte, as doenças crónicas, com destaque para o cancro e a diabetes, encontram-se entre as 10 principais causas de morte (Figura 2.7). Dado o impacto social destas enfermidades, a nível mundial, é importante a intervenção e o desenvolvimento da ciência e de tecnologias viáveis com vista a minimizá-lo. As redes WBAN encontram-se, por razões que já ficaram obvias, entre essas soluções. No entanto, é necessária a sua melhoria e o alargamento da sua resposta a novos casos.
Aplicações das redes WBAN
Médicas Monitorização de sinais vitais Monitoração da respiração Eletroencefalograma Controlo de pH Glicose Aparelho auditivo Ajudas de assistência à deficiência Controlo da tensão muscular Deficiência da fala Mãos artificiais Não Médicas Transmissão vídeo Transferência de arquivos de dados Desporto Vídeo 3D Coisas esquecidas Monitor Aplicações de entretenimento Jogos Redes Sociais
17 Figura 2.7 – As 10 principais causas de morte no mundo, referentes ao ano 2012 (retirada de World
Health Organization (2014)).
O pacemaker e o desfibrilador cardíaco, são exemplo de dispositivos implantáveis, que permitem salvar a vida de doentes cardíacos. Outra medida, que pode diminuir as ocorrências de morte por problemas cardiovasculares, é a implementação de pequenos sensores sobre o paciente de modo a monitorizar continuamente sinais cardíacos, e que alertam em caso de emergência o sistema de saúde (Khan & Hussain, 2009).
Após um acidente vascular cerebral (AVC), podem haver sequelas, por exemplo, a nível motor. A recuperação, em geral, é um processo complexo e demorado. Segundo Hester et
al., (2006) um sistema de sensores “vestível” poderia auxiliar nesse processo monitorizando
atividades motoras do indivíduo em casa e fornecendo avaliações precisas de modo a orientar o processo de reabilitação (cit. in Neves et al. (2008)).
Existem muitas outras situações, além do AVC, em que sistemas deste tipo podem ser aplicados para reabilitação motora, como por exemplo a paralisia cerebral (PC). Strohrmann
et al. (2013) realizaram um estudo com vista a avaliar a aplicabilidade de sensores para a
avaliação motora de crianças com PC. O principal objetivo da utilização de sensores para o monitoramento contínuo de crianças com PC, é avaliar o seu desempenho na realização de atividades motoras, de modo autónomo, durante a vida quotidiana, verificando também a realização de tarefas instruídas pelos terapeutas, em ambiente clínico (Strohrmann, et al.,
18
2013). À semelhança deste estudo, no capítulo 5 desta dissertação, é apresentado um estudo prático da utilização de sensores inerciais para monitoração de uma criança com PC.
Como já foi referido, as doenças oncológicas encontram-se, atualmente, entre as principais causas de morbimortalidade a nível mundial. A utilização de sensores integrados em sistemas WBAN poderiam contribuir para a identificação de tumores sem a necessidade de realizar uma biópsia, por exemplo fazendo a deteção de óxido nítrico produzido por células tumorais (Ullah, et al., 2009), (Khan & Hussain, 2009).
No caso da diabetes, existem biossensores capazes de controlar os níveis de glicose no sangue continuamente e proceder à administração de insulina a partir de um reservatório implantado, quando o limiar estabelecido é atingido (Lo & Yang, s.d.).
A asma é outro problema clínico que pode ser monitorizado recorrendo às WBAN. Através de sensores que detetem agentes alergénicos e comuniquem a sua presença ao indivíduo, ou ao seu responsável de saúde (Abidoye, et al., 2011). Chu et al. (cit. in Abidoye, et al., (2011)) propuseram um sistema com GPS (Global Positioning System) que monitoriza esses fatores e emite um alarme aquando da presença de fatores de risco para o indivíduo em causa, localizando as autoridades sanitárias da posição do indivíduo em dificuldade.
De acordo com a WHO, a epilepsia tornou-se a doença crónica mais comum em todo o mundo (World Health Organization , 2015) e afeta pessoas de todas as idades. A gravação da atividade cerebral, através de um eletroencefalograma (EEG) ambulatório, permite o diagnóstico da epilepsia e o acompanhamento da reação ao seu tratamento (Crosby, et al., 2012). A estimulação cerebral é outra opção para o tratamento de epilepsia, através da estimulação do nervo vago ou de estimuladores cerebrais profundos. Em ambas as estimulações, geradores implantados sob a clavícula enviam impulsos elétricos que, no primeiro caso, viajam até ao nervo vago e deste para o cérebro, enquanto no segundo caso os sinais elétricos são enviados para elétrodos implantados nas áreas cerebrais relacionadas com a doença (Brandão, 2012).
Estes estimuladores permitem igualmente abrir novos caminhos no tratamento de doenças degenerativas, como a doença de Parkinson (Machado & Reppold, 2015), sendo também promissores os resultados experimentais em casos de transtorno obsessivo compulsivo – TOC – (Kohl, et al., 2014) e depressão (Charbardès, 2006).
As perturbações do sono também são um problema que afeta grande parte da população, podendo levar a outros distúrbios de saúde e socioeconómicos. A identificação destas
19 perturbações é possível através de polissonografia, exame que consiste na análise de uma série de biopotenciais gravados durante a noite. No entanto, a realização deste exame exige uma grande quantidade de fios que interferem no movimento e sono do paciente, introduzindo efeitos e ruído no registo de dados. As redes WBAN fornecem uma nova possibilidade para a eliminação dos cabos de ligação, permitindo um diagnóstico mais preciso (Movassaghi, et al., 2014).
A cápsula endoscópica, exemplo de uma aplicação WBAN in body, permite a fiável visualização de áreas do intestino delgado que não seria possível com uma endoscopia digestiva alta ou colonoscopia oferecendo por isso melhorias significativas no diagnóstico. Por outro lado, a realização do exame é mais confortável e menos invasiva (Roman, et al., 2014). As redes WBAN podem também ser utilizadas para ajudar pessoas com deficiência. Dakopoulos e Bourbakis (2010) apresentaram algumas soluções, baseadas em WBAN “vestíveis”, para deficientes visuais, de modo a que estes evitem obstáculos (Dakopoulos & Bourbakis, 2010). Outra opção para deficientes visuais, é a chamada retina artificial, que transforma impulsos elétricos em sinais neurológicos (Latré, et al., 2011). O implante coclear, para deficientes auditivos, é outra das possíveis aplicações, e já utilizada em larga escala (Ghovanloo, 2011). Os dispositivos controlados pela língua podem ajudar paraplégicos ou tetraplégicos a controlar a cadeira de rodas, ou até mesmo, a escrever no computador (Chandra, 2014).
Dados do INE (Instituto Nacional de Estatística), relativos aos censos 2011, confirmam a tendência para o envelhecimento da população (Instituto Nacional de Estatística, 2011). O envelhecimento do indivíduo, por norma, é acompanhado por problemas de saúde, como doenças cardiovasculares, diabetes, Alzheimer e outras demências, dificuldades motoras e incapacidade. Ou seja, este grupo etário pode ser considerado como portador de múltiplas deficiências, pelo que, as aplicações já referidas lhes podem ser úteis. À semelhança dessas, também, a monitorização doméstica (Nóbrega, 2012) e sistemas de monitoramento que possam acompanhar indivíduos idosos ao exterior da habitação, alertando os responsáveis pelos mesmos em situações anormais, como quedas (Khan & Hussain, 2009).
Assim, conhecida a grande panóplia de aplicabilidade dos sistemas WBAN, muitas têm sido as pesquisas para a criação de dispositivos que permitam melhorar a qualidade de vida da população, na tabela 2.1 são enumerado alguns dispositivos com essa mesma finalidade.
