Uma Linguagem de Fusão de Dados para Corpo Humano
Iwens Gervásio Sene Jr.1, Talles Marcelo G. de A. Barbosa1, Adson Ferreira da Rocha2, Francisco A. de O. Nascimento2, Hervaldo Sampaio Carvalho2,3
1
Departamento de Computação – Universidade Católica de Goiás (UCG) Caixa Postal 86 – 74605-010 – Goiânia – GO – Brazil
2
Departamento de Engenharia Elétrica – Universidade de Brasília (UnB) – Brasília, DF – Brazil
3
Faculdade de Medicina – Universidade de Brasília (UnB) – Brasília, DF – Brazil
{iwens, talles}@ucg.br, {adson, assis, carvalho}@unb.br
Abstract. This paper presents a language for data and information fusion. The purpose of this language is to allow the use of the data fusion framework presented in Carvalho [1]. This tool will facilitate the development of healthcare applications to monitor the human health in a pervasive way. Resumo. Este artigo apresenta uma linguagem para fusão de dados e de informações. Essa linguagem tem como propósito a utilização do framework para fusão de dados apresentado em Carvalho [1]. Essa ferramenta facilitará o desenvolvimento de aplicações para o monitoramento da saúde humana de maneira ininterrupta e em qualquer lugar.
1. Introdução
Uma Rede de Sensores Sem Fio – RSSF é constituída de pequenos componentes, com características de miniaturização e baixo custo [2]. Estes pequenos componentes com capacidade de processamento, armazenamento e transmissão são conhecidos como nós sensores.
O projeto de uma RSSF é influenciado por requisitos que incluem ambiente operacional, topologia da rede, meio de transmissão, restrições de hardware e consumo de energia, em função dos nós sensores e tem o seu propósito diretamente ligado à aplicação a que se destina [5].
Sensores implantáveis teriam maior dificuldade de terem suas baterias trocadas e isso impõe que os mesmos trabalhem com algoritmos baseados em baixo consumo de energia. Em relação aos sensores móveis, verifica-se: (a) mobilidade ativa, o sensor dispõe de capacidade autônoma para movimentação, por exemplo, um nano-robô, (b) mobilidade passiva, o sensor é movimentado passivamente pela movimentação do próprio órgão, por exemplo, uma cápsula de endoscopia pode ser transportada pelo trânsito intestinal [3].
As RSCH atualmente e nos próximos anos devem contribuir cada vez para o bem estar da saúde de indivíduos no tratamento, seja no monitoramento, tratamento ou até mesmo no auxilio do diagnostico de doenças. Antigamente os recursos para o tratamento de indivíduos eram escassos, tanto no caso de equipamentos quanto de medicamentos. O futuro aponta para um sistema de saúde centrado no indivíduo, fazendo com que a prestação dos serviços de saúde e a informação em saúde estejam disponíveis a onde o indivíduo estiver. É importante ressaltar que o sistema de monitoração de saúde de indivíduos na substituem os profissionais de saúde e vão auxiliar no diagnóstico de doenças.
A proposta deste trabalho é apresentar uma linguagem de fusão de dados e de informações com o propósito de utilizar fusão de dados em diferentes níveis conforme é proposto em Carvalho [1], que proporciona o uso das aplicações para monitorar a saúde humana a qualquer hora do dia e em qualquer situação contribuindo e aumentando o número de informações para o profissional de saúde na tomada de decisão.
2. Fusão de Dados das Redes de Sensores para o Corpo Humano
A fusão de dados pode ser utilizada para combinar tanto dados de sensores do mesmo tipo (que observam a mesma entidade) quanto dados de sensores de tipos diferentes. No primeiro caso, tipicamente as leituras dos sensores são combinadas com o objetivo de eliminar as redundâncias e os ruídos aumentando a precisão e reduzindo o volume de dados. No segundo caso, o objetivo é aumentar a resolução do dado, gerando um novo dado mais representativo. Por exemplo, um radar determina a distância de um objeto enquanto um sensor infravermelho determina a distância angular desse objeto. A fusão do dado de um radar e um sensor infravermelho permite determinar a posição exata do objeto.
Figura 1. Proposta da Arquitetura Geral de Fusão de Dados (Carvalho,2003), utilizado pela Linguagem.
A Figura 1 apresenta os módulos da arquitetura de fusão de dados utilizados pela linguagem de fusão de dados que foram propostos em Carvalho [1]. E também um exemplo da arquitetura na aplicação do monitoramento do estado de saúde do corpo humano com o sinal de eletrocardiograma ECG/EKG [6]. Os módulos apresentados pela arquitetura seguem a ordem de baixo para cima, do lado esquerdo é uma representação esquemática no uso de fusão de dados para um ECG. Enquanto do lado direito ilustra a arquitetura geral de fusão de dados. O sinal de ECG é capturado pelo nó sensor, são retirados os ruídos pelo módulo de pré-processamento e então é realizada a fusão de dados de baixo nível (média dos sinais de ECG). Em seguida, ocorre a análise de dados através de um algoritmo que interpreta o ECG. Neste momento é realizada a fusão de dados de alto nível e então é aplicado o módulo de interpretação de variável através de um algoritmo para se detectar a freqüência cardíaca (FC), evoluindo-se para o nível de tomada de decisão finalizando o processo.
Um exemplo da fusão de dados da RSCH é apresentado pelo sensor de ECG que monitora um paciente à distância podendo ter vários sensores redundantes (redundância física - vários sensores com mesmas características físicas de hardware medindo o mesmo sinal em diversas partes do corpo) por um determinado tempo, definidos inicialmente pela aplicação. O objetivo é fundir os dados através da média dos valores armazenados no próprio nó sensor gerando um dado com maior representatividade e transmiti-lo para a camada de decisão evitando o desgaste de comunicação da RSCH, com isso obtém uma economia das baterias dos nós sensores.
3. Linguagem de Fusão de Dados das Redes de Sensores para o Corpo
A linguagem de fusão de dados é utilizada para realizar operações envolvendo dados e informações provenientes de sensores de uma rede de sensores sem fio (RSSF). Essa linguagem tem como propósito facilitar e automatizar as operações com sensores na aplicação de monitoração da saúde humana.
A estrutura da linguagem é definida com letras e símbolos, sendo as letras identificadoras dos nós sensores e os símbolos, representações de cada operação de fusão de dados. A expressão de fusão de dados seria uma seqüência de letras e símbolos separados ou não por parênteses (determinando a prioridade da operação dentro dele).
A expressão é montada com as iniciais de Fusão de Dados (FD) seguidos de um símbolo de atribuição e em seguida o conjunto das letras e símbolos. Cada componente da linguagem que aparece entre os símbolos “<< >>” é considerado opcional. Quando se deseja separar operações dentro de uma mesma expressão, utiliza-se “ ; ” , enquanto o uso de “,” apenas separa argumentos dentro de uma mesma operação da expressão. Os demais símbolos se fazem necessários para uso correto da linguagem.
As letras representam os sensores que na linguagem correspondem a uma letra maiúscula do alfabeto variando de A a Z. Para cada aplicação, inicialmente é definida a letra e a sua correspondente representação do tipo do sinal monitorado.
Como exemplo da fusão de dados de alto nível, é apresentado um sensor de ECG (E) no corpo do paciente. Para realizar a fusão de dados de alto nível, de acordo com a arquitetura proposta neste trabalho, pode-se afirmar que os dados já terão passado pelos módulos de pré-processamento, fusão de dados de baixo nível e análise. Nesse instante, é como se o sensor possuísse o eletrocardiograma plotado e já fossem retiradas as informações pertinentes:
FD = > E*(FC) (ALG) (I) FD = > E*(Arritmia) (ALG) (II) FD = > E* (Isqmia) (ALG) (III)
A expressão de fusão de dados apresenta três equações distintas: (I) freqüência cardíaca, (II) arritmia e (III) isquemia, geradas com base na linguagem proposta. As letras “FD” representam a expressão de fusão de dados, a letra “E” representa o sensor de ECG, o símbolo “*” representa o conjunto de todos os sensores redundantes e (ALG) é o algoritmo que será aplicado na fusão de dados de alto nível. Portanto, a partir do resultado desta operação (fusão), o profissional de saúde terá mais subsídios para contribuir no diagnóstico.
4. Conclusões
A proposta da linguagem tem objetivos claros de facilitar a construção de expressões de fusão de dados dentro dos nós sensores. Essas expressões são construídas de acordo com a necessidade de cada aplicação, que tem como alvo a monitoração do estado de saúde do paciente à distância. O monitoramento do estado de saúde do paciente é o objetivo principal e a linguagem apresentada neste trabalho propõe aperfeiçoar ainda mais o processo.
existentes para tratar problemas no mesmo domínio, ou mesmo que tenham outras finalidades específicas. Apesar de existirem na literatura linguagens para fusão de dados de propósito geral, nenhuma pesquisa aborda este assunto para as Redes de Sensores do Corpo Humano (RSCH).
5. Referências Bibliográficas
[1] H. S. Carvalho, W. Heinzelman, A. Murphy, e C. Coelho Jr, “A General Data Fusion Architecture”, In: (Fusion 2003), Queensland, Australia, july 2003
[2] J. Stanford e S. Tongngam: “Approximation Algorithm for Maximum Lifetime in Wireless Sensor Networks with Data Aggregation”. SNPD 2006.
[3] I. G. Sene Jr., “Avaliação de uma rede de sensores sem fios para obtenção da temperatura média do corpo humano”. In: Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica (CBEB), 2006, São Pedro/SP 2006. [4] H. F. Durrant-Whyte, “Integration, Coordination and Control of Multisensor Robot Systems”, Kluwer Academic Publisher, Boston 1988.
[5] P. J. Korhonen e M. Van Gils ,, “Health Monitoring in the Home of the Future”, IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, May/June, 2003.
[6] P. Standing, M. Dent, A. CRAIG e B. Glenville, “Changes in referral patterns to cardiac
out-patientclinics with ambulatory ECG monitoring in general practice”, The British Journal of Cardiology,
