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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARA
PROGRAMA DE POS-GRADUACAO EM ENGENHARIA DE
TELEINFORMATICA
Joao Alexandre Lobo Marques
SISCTG - UM SISTEMA INTELIGENTE PARA
CLASSIFICACAO DE SINAIS CARDIOTOCOGRAFICOS
PARA AUXILIO AO DIAGNOSTICO MEDICO
FORTALEZA - CEARA
FEVEREIRO - 2007
c© Joao Alexandre Lobo Marques, 2007
Joao Alexandre Lobo Marques
SISCTG - UM SISTEMA INTELIGENTE PARA
CLASSIFICACAO DE SINAIS CARDIOTOCOGRAFICOS
PARA AUXILIO AO DIAGNOSTICO MEDICO
DISSERTACAO
Dissertacao submetida ao corpo docente da Coordenacao do Pro-
grama de Pos-Graduacao em Engenharia de Teleinformatica da
Universidade Federal do Ceara como parte dos requisitos necessarios
para obtencao do grau de MESTRE EM ENGENHARIA DE TELEIN-
FORMATICA.
Area de concentracao: Sinais e Sistemas
Paulo Cesar Cortez(Orientador)
FORTALEZA - CEARA
2007
SISCTG - Um Sistema Inteligente para Classificacao de
Sinais Cardiotocograficos para Auxılio ao Diagnostico Medico
Joao Alexandre Lobo Marques
Dissertacao de Mestre em Engenharia de Teleinformatica aprovada em 26/02/2007.
Paulo Cesar Cortez(Orientador)
Dr. Guilherme de Alencar Barreto
Dr. Rubens Viana Ramos
Dr. Leonardo Vidal Batista
Dr. Francisco Edson de Lucena Feitosa
iii
Dedico este trabalho a minha esposa Sonia, por me fazer
feliz a cada dia,
a minha filha Melissa, por ter renovado minha fe na vida,
e ao meu pai Antonio Marques (in memorian),
pelo exemplo de amor.
iv
Sumario
Sumario v
Lista de Tabelas vii
Lista de Figuras ix
1 Introducao 11.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2 Organizacao desta Dissertacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Monitoramento Fetal 72.1 Introducao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Historico do Monitoramento Fetal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3 Cardiotocografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.4 Reconhecimento de Padroes da FCF . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.1 Linha de Base da Frequencia Cardıaca Fetal . . . . . . . . . . 112.4.1.1 Taquicardia Fetal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.4.1.2 Bradicardia Fetal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.2 Variabilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.4.3 Aceleracoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.4.4 Desaceleracoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.4.1 Desaceleracoes precoces - DIP I . . . . . . . . . . . . 162.4.4.2 Desaceleracoes tardias - DIP II . . . . . . . . . . . . 162.4.4.3 Desaceleracoes Variaveis . . . . . . . . . . . . . . . . 172.4.4.4 Desaceleracoes Prolongadas . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.5 Padroes nao usuais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.5 Contracoes Uterinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.1 Fisiologia das Contracoes Uterinas . . . . . . . . . . . . . . . 192.5.2 Monitoramento das Contracoes . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.5.3 Quantificacao das Contracoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
v
2.5.4 Outros fatores que afetam as contracoes uterinas . . . . . . . . 212.6 Criterios da FIGO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.7 Cardiotocografia Computadorizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.7.1 O Sistema Oxford System 8002 . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.7.2 O Sistema CTGOnline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.7.3 Comparacoes entre os sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.8 Conclusao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Estado da Arte 313.1 Sistemas de Processamento Digital de Sinais . . . . . . . . . . . . . . 313.2 Sistemas utilizando Inteligencia Computacional . . . . . . . . . . . . 333.3 Entropia Aproximada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.4 O Algoritmo Dawes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.5 O Algoritmo DMW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.6 Conclusao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4 Implementacao do SISCTG 394.1 Sistema de Inferencia Nebuloso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1.1 Variaveis de Entrada e Saıda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.1.2 Modulo Fuzzyficador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.1.3 Base de Regras de Inferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.1.4 Maquina de Inferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.1.5 Modulo Desfuzzyficador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2 O Sistema SISCTG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.3 Ambiente da Pesquisa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.4 Metodologia de validacao com a Equipe Medica . . . . . . . . . . . . 544.5 Conclusao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5 Resultados 565.1 Avaliacao Visual de Cardiotocografias . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1.1 Analise Qualitativa de CTGs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575.1.2 Diagnostico Visual de CTGs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2 Resultados do SISCTG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.2.1 Base de Dados da MEAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.2.2 Base de Dados da Trium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3 Conclusao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6 Conclusoes, Contribuicoes e Trabalhos Futuros 686.1 Contribuicoes do SISCTG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686.2 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
vi
Referencias Bibliograficas 71
Bibliografia 71
A O Projeto SISCTG 78A.1 Historico do Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79A.2 A parceria Brasil-Alemanha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81A.3 Implantacao do CTGOnline na MEAC . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
B Introducao a Logica Nebulosa 83B.1 Pensamento Nebuloso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
B.1.1 Imprecisao x Incerteza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85B.2 Caracterizacao de um Problema Nebuloso . . . . . . . . . . . . . . . 86B.3 Teoria dos Conjuntos Nebulosos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88B.4 Funcoes de Pertinencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90B.5 Operacoes sobre Conjuntos Nebulosos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93B.6 Exemplo de Sistema de Inferencia Nebuloso . . . . . . . . . . . . . . 93
B.6.1 Modulo Desfuzzificador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95B.7 Aplicacoes de Logica Nebulosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
B.7.1 Controle Nebuloso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97B.7.2 Engenharia Biomedica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
B.8 Conclusao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
vii
Lista de Tabelas
2.1 criterios estabelecidos pela FIGO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 extensao dos criterios estabelecidos pela FIGO - Sistema CTGOnLine. 29
4.1 SISCTG - criterios definidos pela MEAC. . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2 SISCTG - conjunto de regras determinısticas. . . . . . . . . . . . . . 47
4.3 SISCTG - subconjunto de regras de inferencia nebulosas. . . . . . . . 55
5.1 resultados tabulados da analise visual de CTGs por 4 especialistas. . 62
5.2 matriz de confusao resultante da analise pelo SISCTG de 100 exames
classificados deterministicamente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.3 matriz de confusao resultante da analise pelo SISCTG de 100 exames
classificados com ponderacoes pelo especialista. . . . . . . . . . . . . 65
B.1 Crescimento do numero de publicacoes em Logica Fuzzy. . . . . . . . 98
viii
Lista de Figuras
1.1 sinais de FCF e UC de um CTG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1 cardiotocografia tıpica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 informacoes importantes em uma curva de FCF. . . . . . . . . . . . . 12
2.3 desaceleracao em uma curva de FCF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 diversas desaceleracoes em uma CTG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 CTG interpretada pelo programa CTGOnline. . . . . . . . . . . . . . 28
4.1 diagrama em blocos de um sistema de inferencia nebuloso. . . . . . . 40
4.2 interface do sistema SISCTG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3 relatorio de saıda do sistema SISCTG. . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4 MEAC - rede de cardiotocografos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.1 pesquisa qualitativa de CTGs - pagina 1. . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2 pesquisa qualitativa de CTGs - pagina 2. . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.3 interpretacao visual de CTGs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
A.1 Cardiotocografo existente na MEAC no inıcio do projeto. Sem interface
de comunicacao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
B.1 Dado o Universo U, seja o conjunto A representando os fumantes e B
os nao fumantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
B.2 Representacao grafica da populacao de fumantes . . . . . . . . . . . . 88
B.3 Conjuntos Fuzzy para a variavel Temperatura Ambiente. . . . . . . . 91
ix
B.4 Conjuntos nebulosos representados por funcoes de pertinencia trape-
zoidais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
B.5 Conjuntos nebulosos representados por funcoes de pertinencia gaussianas. 92
B.6 Variavel de Entrada A, com valores definidos no intervalo de 0 a 100 . 94
B.7 Variavel de Entrada B, com valores definidos no intervalo de 0 a 200 . 94
B.8 Variavel de Saıda C, com valores definidos no intervalo de 0 a 50 . . . 95
B.9 Aplicacao do modelo de Mamdani a um conjunto de regras de inferencia. 97
x
Resumo
A analise acurada da frequencia cardıaca fetal (FCF ou FHR - Fetal Heart Rate)
correlacionada com as contracoes uterinas maternas (UC - Uterine Contractions) per-
mite gerar diagnosticos e a consequente antecipacao de problemas diversos relativos
ao bem estar fetal e a preservacao de sua vida. O presente trabalho apresenta os
resultados de um sistema hıbrido baseado em regras determinısticas e em um modulo
de inferencia nebuloso (fuzzy) para analise de sinais de FCF e UC coletados atraves
de exames denominados cardiotocografias (CTG). As variaveis analisadas sao o valor
basal da FCF, sua variabilidade de curto e de longo prazo, aceleracoes transitorias e
desaceleracoes, sendo estas classificadas por seu tipo e pelo numero de ocorrencias.
A saıda do sistema e o diagnostico em primeiro nıvel, baseado nas informacoes das
variaveis de entrada definidas. O sistema SISCTG e desenvolvido na linguagem de
scripts do programa Matlab versao 7. Modelagens e testes sao realizadas utilizando-se
o Fuzzy Toolbox do programa Matlab. O projeto tambem conta com uma parceria
multi-institucional entre o Brasil e a Alemanha, envolvendo a Universidade Federal
do Ceara (UFC), atraves do Departamento de Engenharia de Teleinformatica (DETI)
e da Maternidade-Escola Assis Chateaubriand (MEAC), a Technische Universitat
Munchen (TUM), a Bundeswehr Universitat Munchen e a empresa Trium Analysis
Online GmbH. Os resultados obtidos pelo SISCTG sao bastante promissores, classifi-
cando todos os exames normais corretamente. Este e o comportamento esperado, uma
vez que CTGs sao exames de baixa especificidade, tendo como interesse maior encon-
trar indıcios de patologias, sem a necessidade de identifica-las precisamente. Estes
resultados permitem projetar o aperfeicoamento deste sistema com a insercao, por
exemplo, de novas variaveis de entrada. Sao realizados procedimentos de validacao
com multiplos especialistas na area obstetrica tanto no Brasil quanto na Alemanha.
Abstract
The accurate analysis of the fetal heart rate (FHR) and its correlation with uter-
ine contractions (UC) allows the diagnostic and the anticipation of many problems
related to fetal distress and the preservation of his life. This dissertation presents
the results of an hibrid system based on a set of deterministic rules and fuzzy infer-
ence system developed to analyze FHR and UC signals collected by cardiotocography
(CTG) exams. The studied variables are basal FHR, short and long term FHR vari-
ability, transitory accelerations and decelerations, these lasts classified by their type
and number of ocurrencies. The system output is a first level diagnostics based on
those input variables. The SISCTG system is developed using the Matlab version
7 script language. Tests and modeling issues used the Matlab Fuzzy Toolbox. The
project also supports a multi-institutional agreement between Brazil and Germany,
among the DETI - Departamento de Engenharia de Teleinformatica of the UFC - Uni-
versidade Federal do Ceara, the MEAC - Maternidade-Escola Assis Chateaubriand),
the TUM - Technische Universitat Munchen, the Bundeswehr Universitat Munchen
and the Trium Analysis Online GmbH. The SISCTG results are very promising, cor-
rrectly classifying all normal exams. This is the expected behavior, once CTG exams
are classified as of low specificity, with the most interest focused in finding pathologies
aspects, but not precisely identifying them. These results allow the projection of im-
provements to the proposed system, inserting new input variables, for example. The
system validation methodology was based on the knowledge of Brazilian and German
obstetricians.
Agradecimentos
Dedico um agradecimento especial ao Professor Paulo Cesar Cortez, um mestre
na essencia da palavra, pela orientacao objetiva neste trabalho e pelo exemplo conta-
giante de dedicacao a pesquisa e ao ensino.
Agradeco tambem ao Professor Guilherme de Alencar Barreto, por sua partic-
ipacao na modelagem do projeto, orientacao clara e sensata e a pronta ajuda em
momentos cruciais do projeto. Certamente seu nome pode constar com destaque nos
resultados deste trabalho.
Sinceros agradecimentos tambem ao Professor Edson Lucena, Chefe da Enfermaria
da Maternidade Escola Assis Chateaubreand, e a toda sua equipe, pela ajuda na luta
que travamos juntos para efetivar a implantacao do sistema de CTG computadorizada
na MEAC, um avanco significativo para a instituicao, com resultados, estou certo,
alcancados ja em 2007.
Expresso meus agradecimentos tambem ao Professor Rubens Viana Ramos, pelas
proveitosas sugestoes e ao Professor Leonardo Vidal Batista, por dedicar parte de seu
tempo ao engrandecimento deste trabalho, participando da banca.
Aos participantes do projeto ligados a empresa Trium Analysis Online GmbH, em
Munique, Alemanha, em especial ao Sr. Martin Daumer, Christian Harbock e Katrin
Noack.
Ao Ministerio Publico Federal, pela licenca para capacitacao.
A FUNCAP, por financiar parcialmente este projeto.
Capıtulo 1
Introducao
A Medicina Fetal e uma area recente da Obstetrıcia, que visa monitorar e determi-
nar acoes para proporcionar o bem-estar do feto. Ate pouco tempo atras, as equipes
medicas nao possuıam equipamentos que as ajudassem a obter informacoes uteis e
precisas sobre o estado do feto. Hoje em dia, equipamentos de alta tecnologia per-
mitem o acesso a estas informacoes.
Uma das principais formas utilizadas pela Medicina Fetal consiste na aplicacao de
exames visuais, atraves dos equipamentos baseados em ultra-som. Usam-se, tambem,
outros sistemas com sensores baseados na tecnologia Doppler e tocograficos, sendo
os primeiros para o monitoramento dos batimentos cardıacos fetais e os outros para
realizar um mapeamento das contracoes uterinas maternas. Estes sensores permitem
que seja realizado um acompanhamento contınuo dos sinais fetais e maternos, uma vez
que a correlacao entre as duas medicoes permite que sejam feitas analises do estado
fetal. Este tipo de acompanhamento torna possıvel determinar um grande conjunto
de caracterısticas fisiologicas e mesmo de patologias ou alteracoes na saude do feto
examinado [19].
O acompanhamento contınuo do sinal de frequencia cardıaca fetal (FCF) (Fe-
tal Heart Rate, FHR) concorrentemente as contracoes uterinas maternas (Uterine
Contractions, UC) e possibilitado atraves do exame denominado cardiotocografia ou
CTG que e realizado com o uso do equipamento conhecido como cardiotocografo.
1
Capıtulo 1: Introducao 2
Figura 1.1: sinais de FCF e UC de um CTG.
Este equipamento registra eletronicamente, de forma sucessiva e simultanea, alem do
sinal da frequencia cardıaca fetal, a movimentacao fetal e a ocorrencia de contracoes
uterinas materna.
A Figura 1.1 traz uma amostra dos sinais de FCF e UC coletados simultaneamente
em uma CTG. A analise destes dois sinais permite gerar um prognostico com a final-
idade de detectar diversos problemas fetais como alteracoes neurologicas ou baixos
nıveis de oxigenacao. E indicado principalmente para as gestacoes de risco, que po-
dem levar ao obito do feto ou mesmo ao aparecimento de sequelas graves, podendo
ser realizado tanto no perıodo gestacional quanto durante o parto [18].
De uma maneira geral, o sinal mais rico em informacoes existente no exame
cardiotocografico e a FCF. A partir desta informacao, o bem-estar fetal e avaliado
baseado nos seguintes parametros: frequencia cardıaca fetal basal ou linha de base da
Capıtulo 1: Introducao 3
frequencia cardıaca fetal; variabilidades de longo e de curto prazo; aceleracao tran-
sitoria e as desaceleracoes, com seus variados tipos. Descricoes superficiais de cada
um destes parametros podem ser vistas a seguir, de acordo com que e apresentado
por Freeman et al. [14].
A frequencia cardıaca fetal basal consiste na media aproximada dos valores da
FCF avaliados num segmento de 10 minutos do tracado cardiotocografico, excluindo-
se: desaceleracoes, aceleracoes, perıodos de acentuada variabilidade e segmentos onde
a variacao da FCF apresente diferencas superiores a 25 batimentos por minuto (bpm).
Em qualquer segmento de 10 minutos, a duracao mınima da linha de base deve ser de
dois minutos ou este parametro sera considerado indeterminado. Considera-se normal
valores entre 110 e 160 bpm.
A variabilidade e definida como a oscilacao da linha de base da FCF com dois
componentes: microoscilacao e macrooscilacao. A microoscilacao e a variabilidade
compreendida entre uma batida e outra, instante a instante. Na interpretacao visual
do tracado cardiotocografico, nao e possıvel avaliar a microoscilacao, mas atualmente,
e possıvel de ser estudada atraves dos modernos sistemas computadorizados de analise
de cardiotocografias fetais. A macrooscilacao consiste na oscilacao de longa duracao
ou variabilidade oscilatoria, em que a FCF descreve de 2 a 6 ciclos (ascensos e descen-
sos) no decurso de 1 minuto. A definicao de variabilidade, na analise visual, baseia-se
na amplitude dos complexos, exceto para o padrao sinusoidal, cuja presenca indica
estado patologico.
As aceleracoes transitorias sao ascensos transitorios da FCF com amplitude de
pelo menos 15 bpm, durante pelo menos 15 segundos. E um importante marcador
cardiotocografico para caracterizar o bem-estar fetal.
Finalmente, as desaceleracoes sao quedas temporarias da FCF, classificadas de
acordo com a associacao ou nao as contracoes uterinas em periodicas ou nao periodi-
cas.
Cada um dos parametros apresentados, bem como seus valores padroes para
analise e seus diversos tipos sao importantes em qualquer sistema de monitoramento
Capıtulo 1: Introducao 4
fetal para auxılio ao diagnostico medico.
Devido ao grande numero de variaveis a serem analisadas, um problema que surge,
normalmente, na utilizacao do exame cardiotocografico convencional e a diversidade
de interpretacao e nomenclatura empregada para expressar tanto as patologias quanto
a vitalidade fetal. Para minimizar este problema, algumas iniciativas de classificacao
sao usadas pela comunidade medica internacional, com destaque para a FIGO - Fed-
eracao Internacional de Ginecologia e Obstetrıcia (International Federation of Gy-
naecology and Obstetrics), que determina um conjunto de valores para classificacao
dos parametros medidos pela cardiotocografia [13]. Entretanto, outras iniciativas
de classificacao sao criadas em outras instituicoes, dificultando a padronizacao das
interpretacoes dos exames.
Dentre as diversas classificacoes, destaques devem ser dados para:
• O American College of Obstetricians and Gynaecologists - ACOG, instituicao
norte-americana que define sua classificacao propria das variaveis e dos valores
considerados em cardiotocografias [2];
• O Royal College of Obstetricians and Ginecologists - RCOG, instituicao inglesa
com forte influencia nas comunidades medicas europeia e brasileira, que criou
um guia baseado nas evidencias clınicas para o acompanhamento fetal [44];
• A Federacao Brasileira de Ginecologia e Obstetrıcia - FEBRASGO, que em
seu manual de orientacao a assistencia pre-natal estabelece algumas orientacoes
sobre o uso da cardiotocografia [1].
Alem disso, a propria Maternidade-Escola Assis Chateaubriand (MEAC), insti-
tuicao pertencente a Universidade Federal do Ceara (UFC), possui uma classificacao
propria definida por sua equipe medica da area Obstetrica.
O grande numero de padronizacoes e ainda a natureza do exame permite um alto
nıvel de subjetividade em sua analise, resultando em uma forte variacao na interpre-
tacao dos dados de acordo com os avaliadores dos sinais. Assim, o mesmo exame pode
ser avaliado de maneiras distintas caso seja submetido a diferentes especialistas.
Capıtulo 1: Introducao 5
Diante do exposto, ha uma forte necessidade de se aumentar a precisao e con-
fiabilidade na analise dos sinais cardiotocograficos. Assim, sistemas computacionais
para interpretacao de sinais cardiotocograficos estao sendo desenvolvidos, sendo alvos
de pesquisa tanto de universidades quanto dos fabricantes de equipamentos medicos
computadorizados.
1.1 Objetivos
Dentro do contexto apresentado, este trabalho tem por objetivo a modelagem e o
desenvolvimento do SISCTG, um sistema computacional inteligente baseado em logica
nebulosa (fuzzy) e em um conjunto determinıstico de regras, para analise e auxılio ao
diagnostico medico de exames cardiotocograficos.
1.2 Organizacao desta Dissertacao
No Capıtulo 2 sao apresentados os aspectos medicos relacionados ao exame com a
analise da FCF e das contracoes uterinas, as variaveis, os parametros utilizados para
diagnosticos e uma serie de analises de exames cardiotocograficos. Tambem e justifi-
cada a utilizacao da cardiotocografia computadorizada como importante ferramenta
de auxılio ao diagnostico medico.
O estado da arte relativo as pesquisas realizadas sobre o exame estudado e apre-
sentado no Capıtulo 3. Sao implementacoes e abordagens realizadas por diversas
equipes de engenheiros e medicos no mundo inteiro, com uma significativa quanti-
dade de pesquisas que estao sendo realizadas, tanto atraves da aplicacao de tecnicas
de Processamento Digital de Sinais, quanto com o uso de Inteligencia Computacional.
Em seguida, todos os passos da implementacao do Sistema de Inferencia Fuzzy
SISCTG sao apresentados em detalhes no Capıtulo 4. Tambem e abordado o uso do
Matlab Fuzzy Toolbox como ferramenta de auxılio ao desenvolvimento do sistema e,
finalmente, os aspectos praticos do desenvolvimento da solucao para a MEAC/UFC,
Capıtulo 1: Introducao 6
com a definicao de sua interface de entrada e saıda.
No Capıtulo 5 sao analisados os resultados obtidos em duas pesquisas realizadas
na MEAC. A primeira com a analise visual por parte de especialistas em obstetrıcia
de diversos exemplos de exames cardiotocograficos. A segunda com a comparacao de
diagnosticos fornecidos por medicos com o diagnostico determinado pelo sistema.
Finalmente, no Capıtulo 6 sao apresentadas as conclusoes do trabalho, suas con-
tribuicoes e ainda um conjunto de possıveis trabalhos futuros a serem desenvolvidos
em continuidade ao projeto.
Capıtulo 2
Monitoramento Fetal
2.1 Introducao
Com o objetivo de prever o sofrimento fetal e evitar sua morte ou mesmo o aparec-
imento de sequelas apos o nascimento, diversos esforcos estao sendo realizados para
o desenvolvimento de tecnicas e equipamentos que realizem o monitoramento do feto
com a maior precisao e o menor risco possıveis.
Atualmente, diversos nıveis de monitoramento sao utilizados, podendo ser classi-
ficados, dentre varios tipos de classificacao existentes, pela epoca gestacional em que
sao realizados. Monitoramento antepartum e o monitoramento realizado durante a
gravidez, capaz de detectar diversas alteracoes no feto, levando a importantes tomadas
de decisao sobre a gestacao; e o monitoramento intrapartum que e realizado durante
o trabalho de parto, uma fase em que diversas complicacoes podem ser evitadas, caso
haja um monitoramento eficiente [14].
Tecnicas invasivas e nao invasivas sao utilizadas no monitoramento fetal. As
primeiras necessitam do contato direto com o feto, enquanto as ultimas sao realizadas
externamente, sendo elas as que oferecem menor risco de aborto ou de infeccoes tanto
materna quanto fetal.
A frequencia cardıaca fetal e um importante sinal a ser analisado para a deter-
minacao do bem-estar de um feto, podendo ser realizado de maneira nao invasiva,
7
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 8
atraves de equipamentos denominados cardiotocografos, e com um grau de precisao
de boa qualidade.
Segundo Freeman et al. [14], pesquisas demonstram que a analise de alguns
parametros relacionados a FCF podem levar a consideracoes nao somente sobre o
estado cardıaco do feto, mas tambem sobre seu estado neurologico, a oxigenacao de
seus tecidos e o fluxo sanguıneo a ele fornecido.
Alteracoes na FCF, analisadas conjuntamente com a ocorrencia de contracoes
uterinas, constituem uma base de informacoes eficiente para o monitoramento fetal.
Com isso, diversos fatores externos que podem causar modificacoes do estado fetal
(problemas fetais, alteracoes no estado materno ou mesmo o uso de medicamentos)
devem ser considerados.
Este capıtulo apresenta as principais tecnicas utilizadas para o monitoramento de
fetos, com destaque para o monitoramento da frequencia cardıaca fetal e das con-
tracoes uterinas com o exame denominado cardiotocografia, avaliando suas alteracoes
significativas para analise do bem estar fetal.
2.2 Historico do Monitoramento Fetal
Ainda durante o seculo XIX, o benefıcio de se acompanhar a frequencia cardıaca de
fetos comeca a ser estudado, com a realizacao das primeiras atividades de auscul-
tacao fetal com estetoscopios, sendo inclusive criado por Adolph Pinard em 1876 um
equipamento especıfico para tal atividade. Esta analise surgia como uma potencial
ferramenta para diminuir o numero de mortes de fetos por problemas que ocorrem
em epocas proximas ou mesmo durante o parto [14].
De acordo com o Royal College of Obstetricians and Gynaecologists (RCOG),
sediado em Londres [44], com o surgimento de novos equipamentos no inıcio do
seculo XX, a ideia de monitoramento contınuo e completo fica mais proxima de ser
atingida. Entretanto, para a deteccao de uma eletrocardiografia eficiente do feto,
torna-se necessario o uso de sensores invasivos, uma vez que a medicao externa e
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 9
fortemente influenciada pelos batimentos cardıacos maternos.
Apenas apos a aplicacao de sensores baseados na tecnica do efeito Doppler para
a deteccao dos batimentos cardıacos fetais, em 1964, o monitoramento da frequencia
cardıaca fetal toma novos rumos. A possibilidade de monitoramento nao invasivo
faz crescer o uso desta tecnica e equipamentos denominados cardiotocografos sao
entao fabricados, oferecendo a deteccao simultanea da frequencia cardıaca fetal e das
contracoes uterinas maternas.
Diversos estudos realizados nos anos 70, mostram uma diminuicao no numero de
obitos fetais para os casos em que houve monitoramento fetal eletronico comparados
com outros em que nao houve monitoramento. No entanto, diversas contestacoes
sao feitas nas metodologias empregadas na avaliacao destes resultados. Alem disso, a
ocorrencia de casos de falsos positivos, levando a intervencoes desnecessarias, tambem
criam a necessidade de se estabelecer metodos mais cuidadosos para a analise das
variaveis estudadas no monitoramento.
Mesmo com todo cuidado que qualquer tomada de decisao medica inspire, a
evolucao no uso do monitoramento da frequencia cardıaca fetal possui uma aplicabil-
idade incontestavel em casos de deteccao de sofrimento fetal, principalmente para o
caso de gestacoes de risco [12].
Para melhorar a qualidade nas interpretacoes dos exames, a cardiotocografia com-
putadorizada e o mais recente avanco nesta area, integrando sistemas computadoriza-
dos aos cardiotocografos para uma analise de primeiro nıvel baseada em padroes
internacionalmente estabelecidos pela comunidade cientıfica da area.
2.3 Cardiotocografia
Conforme ja apresentado anteriormente, a cardiotocografia e um exame de monitora-
mento contınuo da FCF (representado no termo pelo radical cardio) e das contracoes
uterinas maternas (representado no termo pelo radical toco). Concomitantemente,
tambem podem ser registrados manualmente os movimentos fetais, com o uso de
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 10
Figura 2.1: cardiotocografia tıpica.
registradores que ficam de posse da mae. A cada movimento do feto, o acionador
e pressionado. A saıda convencional de uma CTG e a impressao das curvas dos
dois sinais monitorados e pontos indicando os registros de movimentacao fetal feitos
pela mae. Na Figura 2.1 pode ser visto um tracado tıpico de uma cardiotocografia
classificada como normal.
Na Figura 2.1 podem ser visualizadas a curva representativa da FCF na parte
superior e outra da UC na parte inferior. Os pontos existentes na parte central sao
indicacoes de movimentacao fetal por parte da mae.
Com o tipo de monitoramento descrito anteriormente, diversos fatores podem ser
avaliados para determinar se o feto e reativo, ou seja, normal, ou nao reativo, isto e,
encontra-se em sofrimento momentaneo ou em estado patologico. Sao estes fatores e
padroes que sao apresentados na proxima secao.
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 11
2.4 Reconhecimento de Padroes da FCF
Gerar parametros matematicos ou estatısticos sobre a FCF e uma tarefa difıcil, uma
vez que a tarefa de interpretacao deste sinal pode ser considerada tanto um estudo
da area de reconhecimento de padroes, quanto um processo de avaliacao de multiplos
fatores clınicos para determinacao do nıvel de oxigenacao do feto, por exemplo [14].
Nesta secao sao apresentados os seguintes parametros avaliados em um exame de
CTG:
• linha de base da frequencia cardıaca fetal;
• variabilidade;
• presenca de desaceleracoes e seus tipos;
• presenca de aceleracoes;
• padroes nao-usuais.
Todas as definicoes utilizadas estao baseadas no que e estabelecido por Freeman
[14], pela FIGO [13] e pelo NIHCD - National Institute of Child Health and Human
Development [33].
2.4.1 Linha de Base da Frequencia Cardıaca Fetal
A linha de base da FCF e um valor medio calculado em um intervalo pre-estabelecido
de tempo. De acordo com o NIHCD e a FIGO, este intervalo esta entre 110 a 150
bpm (batimentos por minuto). Ja Freeman estabelece o intervalo de 120 a 160 bpm.
O valor da linha de base da FCF e estabelecido apos 10 minutos de duracao do exame.
Da mesma forma, alteracoes nesta linha de base so sao consideradas se maiores que 10
minutos. Alteracoes de menor duracao sao classificadas como alteracoes periodicas.
Entretanto, seguindo-se este criterio, deve ser levada em consideracao a possibilidade
de existencia de alteracoes periodicas de longa duracao, como por exemplo uma de-
saceleracao da FCF que decorra mais de dez minutos para retornar ao valor basal.
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 12
Isto pode ser erroneamente confundida com uma linha de base abaixo do normal,
levando a classificar de forma errada o estado do feto.
Figura 2.2: informacoes importantes em uma curva de FCF.
Na Figura 2.2 estao representadas algumas das principais informacoes que devem
ser analisadas em uma curva de FCF. A linha pontilhada em azul representa a linha
de base da FCF, calculada de acordo com os criterios definidos pela FIGO. As outras
informacoes sao explicadas no decorrer desta secao.
2.4.1.1 Taquicardia Fetal
De acordo com o estabelecido pela FIGO, a taquicardia fetal e definida como a ocor-
rencia de uma linha de base superior a 150 bpm. Dada sua natureza, normalmente
esta vinculada a uma diminuicao na variabilidade da FCF.
A ocorrencia de taquicardia pode estar ligada a diversos fatores externos que
devem ser levados em consideracao quando da realizacao do exame, tais como hipoxia
fetal, febre materna, anemia fetal, ingestao de determinados tipos de medicamentos
e hipertireoidismo materno, dentre outros.
2.4.1.2 Bradicardia Fetal
A bradicardia fetal e determinada quando a FCF e inferior a 110 bpm, de acordo com o
estabelecido pela FIGO (Freeman estabelece um valor de 120 bpm [14]). A ocorrencia
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 13
de bradicardia no intervalo de 80 a 110 bpm com uma variabilidade significativa podem
ser considerados valores normais, sob circunstancias maternas e fetais normais.
Conforme citado anteriormente, a ocorrencias de desaceleracoes prolongadas po-
dem ser confundidas com a ocorrencia de bradicardia. Normalmente, este tipo de
desaceleracao esta vinculado a uma queda na variabilidade da FCF.
Uma FCF com linha de base inferior a 70 bpm, geralmente possui baixa variabil-
idade e esta relacionada a problemas congenitos no coracao do feto [14].
Outro detalhe e que, na ocorrencia de uma bradicardia persistente, deve-se veri-
ficar se nao esta sendo monitorada a FC materna e nao a fetal, o que pode resultar
na conclusao de morte fetal. Neste caso, exames complementares como o ultra-som
devem ser realizados para confirmacao de diagnostico.
2.4.2 Variabilidade
Para a determinacao do estado fetal imediato, a caracterıstica mais importante da
FCF e sua variabilidade. A presenca de uma variabilidade normal e um reflexo de uma
modulacao neurologica perfeita da FCF e de uma caracterıstica de resposta normal
do coracao.
Existem dois componentes a serem avaliados da variabilidade da FCF: variabili-
dade de curto prazo ou short-term variability - STV - e variabilidade de longo prazo
ou long-term variability - LTV.
A variabilidade de curto prazo caracteriza a irregularidade encontrada no intervalo
entre os batimentos cardıacos, um a um (beat-to-beat). E medida em milisegundos e
e causada pela variacao normal existente no ciclo cardıaco. E uma consequencia do
processo constante de “empurra-e-puxa” dos sistemas nervosos simpatico e parassim-
patico.
A verificacao da STV somente e possıvel no exame de CTG computadorizada, nao
sendo avaliada em exames visuais convencionais. E um fator importante na analise de
diversos aspectos do bem-estar fetal, como, por exemplo, a determinacao da acidose
fetal [3].
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 14
A variablidade de longo prazo representa a forma com que a onda da FCF esta
variando na CTG, geralmente medida a uma frequencia de tres a cinco ciclos por
minuto. E medida em batimentos por minuto.
A medida que a gestacao prossegue e o sistema nervoso autonomo fetal amadurece,
a linha da base da FCF diminui e tanto a STV quanto a LTV elevam seus valores.
Isto e um reflexo do aumento no controle dos reflexos do coracao.
Normalmente, valores muito altos de variabilidade podem indicar uma hipoxia
fetal, que e a falta de oxigenacao fetal, moderada, podendo resultar em um estado
de acidose, isto e, de diminuicao do pH sanguıneo do feto. No entanto, quando se
encontra uma FCF normal ou elevada, o pH fetal e comumente encontrado em nıveis
normais.
Uma baixa variabilidade da FCF geralmente e vista como algo vinculado a de-
pressao do sistema nervoso central - SNC. Entretanto, existem diversas outras causas
para uma possıvel reducao da STV e da LTV, tais como: ingestao de medicamentos,
a ocorrencia de taquicardia, anomalias congenitas, dentre outras.
A Figura 2.2 apresenta graficamente uma interpretacao de variabilidade de longo
prazo expressa pelo intervalo de variacao da FCF em relacao ao eixo vertical do
grafico.
Alteracoes periodicas na FCF sao modificacoes temporarias de seu nıvel, retor-
nando para a linha de base previamente estabelecida ou para uma novo valor basal,
podendo estar vinculadas a diversos fatores como o movimento fetal, as contracoes
uterinas e a existencia de patologias fetais. Estas alteracoes sao as desaceleracoes e
as aceleracoes.
2.4.3 Aceleracoes
Aceleracoes da FCF normalmente ocorrem na epoca denominada antepartum, no
inıcio do trabalho de parto ou ainda associadas a alguns tipos de desaceleracoes.
Existem dois mecanismos fisiologicos responsaveis pelas aceleracoes. O primeiro
trabalha com as aceleracoes resultantes da movimentacao fetal ou pelas contracoes
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 15
uterinas. A outra causa pode ser a oclusao do cordao umbilical.
A presenca de aceleracoes durante a gravidez e um sinal de vitalidade fetal. No
entanto, nao se considera a ausencia de aceleracoes, isoladamente, como um possıvel
fator determinante de sofrimento do feto. Em conjunto com as aceleracoes, devem ser
levadas em consideracao a variabilidade e a linha de base da FCF.
Na Figura 2.2 sao apresentadas duas aceleracoes em uma CTG, indicadas com
setas. Pode-se notar que pequenas alteracoes nao sao consideradas como aceleracoes,
mas sim como parte da analise da variabilidade da FCF.
Em exames com grande movimentacao fetal e comum confundir os retornos das
aceleracoes para a linha de base com desaceleracoes, principalmente no inıcio do exame
quando ainda nao se tem um valor determinado para a FCF basal.
2.4.4 Desaceleracoes
Os outros tipos de alteracoes periodicas da FCF, muito importantes para a determi-
nacao de sofrimento fetal ou mesmo de patologias congenitas, sao as desaceleracoes.
A Figura 2.3 apresenta um exemplo de desaceleracao detectada em um exame de
CTG.
Figura 2.3: desaceleracao em uma curva de FCF.
As desaceleracoes sao classificadas em quatro diferentes tipos, de acordo com sua
forma e a relacao temporal com as contracoes uterinas. Sao elas: Desaceleracoes
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 16
precoces - DIP I (early decelerations), Desaceleracoes tardias - DIP II (late decelera-
tions), Desaceleracoes variaveis (variable decelerations) e Desaceleracoes prolongadas
(prolonged decelerations).
2.4.4.1 Desaceleracoes precoces - DIP I
Desaceleracoes classificadas como precoces possuem uma forma bem definida, tanto
de descenso quanto na atividade de retorno a linha de base da FCF. Iniciam-se logo
no inıcio de uma contracao uterina e seu menor valor coincide temporalmente com o
valor de pico da contracao. Normalmente nao existe nenhuma aceleracao transitoria
imediatamente antes nem imediatamente depois de uma desaceleracao precoce.
Uma importante caracterıstica do tipo de desaceleracao descrita e sua amplitude
mınima que, apesar de depender da intensidade da contracao uterina, normalmente
nao cai para valores de FCF menores que 100 a 110 bpm ou mesmo nao desacelera
mais que 20 a 30 bpm em relacao a linha de base da FCF. Este tipo de alteracao
e classificada como fisiologica e normalmente indica uma compressao no cranio fetal
quando da ocorrencia de uma contracao uterina. A alteracao no fluxo sanguıneo
cerebral causa a imediata reducao na FCF. Sua ocorrencia e mais comum ja em
trabalho de parto e nao indica estado patologico do feto.
2.4.4.2 Desaceleracoes tardias - DIP II
Este segundo tipo de desaceleracao assemelha-se a desaceleracao precoce na forma e
na regularidade. No entanto, a diminuicao da FCF ocorre com atraso em relacao a
contracao uterina. Esta queda inicia-se apos um intervalo de aproximadamente trinta
segundos apos o inıcio da contracao e o menor valor na desaceleracao e atingido apos
o final da contracao.
Outras caracterısticas importantes das desaceleracoes tardias, alem do aspecto
temporal, podem ser citadas, tais como a queda e o retorno a linha de base que sao
graduais e amortecidos. Normalmente nao sao encontradas aceleracoes transitorias
nem imediatamente antes nem imediatamente depois desta desaceleracao. A FCF
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 17
raramente cai para menos que 30 a 40 bpm em relacao a linha de base, ficando esta
queda usualmente situada no intervalo de 10 a 20 bpm.
Desaceleracoes tardias, quando nao conseguem ser corrigidas, sao significantes e
preocupantes quanto ao bem-estar fetal. A maioria de suas ocorrencias estao vin-
culadas a hipoxia fetal resultantes de troca inadequada de oxigenio com a placenta,
causada pela contracao uterina. A localizacao do cordao umbilical e sua tensao podem
causar este estado.
2.4.4.3 Desaceleracoes Variaveis
As desaceleracoes variaveis sao os tipos mais comuns encontrados em cardiotocografias.
Como o proprio nome indica, os padroes destes tipos de desaceleracoes variam em to-
dos os aspectos: forma, duracao, intensidade e correlacao temporal com as contracoes
uterinas. Normalmente existe uma pequena aceleracao transitoria imediatamente
antes e uma imediatamente apos uma desaceleracao variavel.
Uma das causas para a ocorrencia de desaceleracoes variaveis pode ser a com-
pressao do cordao umbilical, mas pode tambem indicar a interrupcao temporaria do
fluxo sanguıneo nos vasos do cordao.
As desaceleracoes variaveis podem ser do tipo reativa ou nao patologica se tiverem
as seguintes caracterısticas:
1. duracao nao maior que 30 a 45 segundos;
2. ocorre um rapido retorno para a linha de base da FCF apos o valor mınimo ser
atingido;
3. existe a presenca de um valor medio da STV (nao ocorre aumento nem reducao
acentuados);
4. a linha de base nao esta aumentando.
Quando nao seguem estas caracterısticas, isto e, longas desaceleracoes, reducao
ou aumento acentuados da STV, dentre outras, as desaceleracoes variaveis podem ser
classificadas como patologicas.
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 18
Figura 2.4: diversas desaceleracoes em uma CTG.
2.4.4.4 Desaceleracoes Prolongadas
Desaceleracoes prolongadas sao as que duram mais que dois minutos. Sao padroes
difıceis de serem classificados em termos de fisiopatologia porque devem ser analisa-
dos em um amplo conjunto de possibilidades. Dentre as diversas causas, podem ser
citadas a compressao do cordao umbilical, insuficiencia placentaria, hipotensao cau-
sada pela posicao supina ou ainda ser detectada apos a aplicacao de anestesia epidural
ou espinhal.
A existencia de desaceleracoes em uma CTG normalmente e indicativo de pro-
blemas ou pelo menos de entrada em estado de alerta na analise do estado fetal. A
Figura 2.4 apresenta uma CTG com a ocorrencia de desaceleracoes de diversos tipos,
inclusive com duas bastante graves com a FCF atingindo nıveis em torno de 60 bpm.
O acompanhamento continuado e mais detalhado, nestes casos, e fundamental para a
tomada de decisao medica que pode ir desde a recomendacao de repouso da mae ate
a interrupcao da gravidez.
2.4.5 Padroes nao usuais
A FCF apresenta alguns padroes de comportamento nao usuais que, apesar de raros,
devem ser conhecidos para a correta interpretacao dos exames.
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 19
O padrao sinusoidal e observado durante a gravidez, durante o trabalho de parto
ou mesmo no perıodo neonatal. Pode estar associado a uma grave hipoxia fetal, que
resulta em grave anemia causada pela falta de oxigenacao e consequente acidose, isto
e, a diminuicao do pH sanguıneo do feto. Hemorragia materna tambem pode resultar
neste padrao [19].
Outras formas de padroes nao usuais encontradas sao o padrao da linha de base de
Wandering e o padrao Lambda. O primeiro e quando nao se consegue estabelecer uma
linha de base para a FCF, normalmente causado por problemas neurologicos no feto.
O segundo padrao ocorre quando se tem uma aceleracao e logo em seguida uma de-
saceleracao, podendo acontecer durante o trabalho de parto e sem causa determinada
[14].
2.5 Contracoes Uterinas
As contracoes uterinas sao movimentos que podem ou nao ser rıtmicos ou periodicos,
dependendo do tempo de gestacao. Seu monitoramento e importante para que seja
possıvel verificar a ocorrencia de patologias e para estabelecer uma correlacao com as
alteracoes da FCF, principalmente nos casos de desaceleracoes.
2.5.1 Fisiologia das Contracoes Uterinas
Fisiologicamente, o papel inicial de uma contracao uterina e de expelir o conteudo
intrauterino. Contracoes normais existentes antes do momento do trabalho de parto
servem como preparacao do utero e da cervix para tal momento.
Contracoes conhecidas como Braxton-Hicks sao medidas em milımetros de mer-
curio (mmHg) e possuem uma magnitude de 10 a 20 mmHg. Sao generalizadas em
todo o utero e possuem uma frequencia que aumenta de uma por hora com 30 sem-
anas para uma contracao a cada 5 ou 10 minutos durante o trabalho de parto. Este
tipo de contracao muitas vezes nao e notado pelas gestantes.
O utero e um musculo e possui um tonus basal que deve ser levado em consideracao
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 20
nas medicoes de suas contracoes, com um valor base de 12 mmHg na fase proxima ao
final da gravidez. Valores acima de 20 mmHg sao classificados como hipertonus.
As principais caracterısticas para a classificacao de contracoes uterinas sao: fre-
quencia, duracao, intensidade (amplitude), uniformidade e forma. Todas estas carac-
terısticas podem ser extraıdas eficientemente por meio de um monitoramento externo
do tonus uterino.
2.5.2 Monitoramento das Contracoes
O monitoramento das contracoes uterinas maternas e eficientemente realizado por
equipamentos externos denominados tocodinamometros. Este tipo de equipamento
possui um sensor que e formado por um peso com um botao detector de pressao
localizado em sua parte central, sendo preso a parede abdominal por um cinto elastico
para regular sua posicao e o nıvel de pressao a que e submetido. Esta regulagem e
necessaria para garantir uma melhor deteccao das contracoes.
A grande vantagem deste monitoramento reside no fato de ser nao invasivo. Entre-
tanto, como o tonus uterino varia para cada paciente analisada, existe a necessidade
de um controle de calibracao, quer seja no sensor ou no cardiotocografo, para ajuste
inicial do valor de repouso ou de base do utero que esta sendo monitorado. Alem
disso, deve ser sempre lembrado que o tracado obtido externamente para as con-
tracoes uterinas e sempre relativo e varia muito com a posicao materna, obesidade
relativa e ate mesmo com o nıvel de aperto do cinto. A sensibilidade do sensor uti-
lizado no tocodinamometro tambem gera influencias na duracao de uma contracao.
Quanto mais sensıvel, nota-se maior duracao na contracao.
Desta forma, o monitoramento externo das contracoes resulta em um exame no
qual a frequencia de ocorrencia e mais precisa, enquanto que a duracao e a intensidade
sao menos precisas.
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 21
2.5.3 Quantificacao das Contracoes
Diversas razoes tornam importante a quantificacao das contracoes uterinas maternas.
Um exemplo claro esta na deteccao da aproximacao do trabalho de parto. Para isto,
diversos ındices sao propostos e utilizados.
Freeman, Garite e Nageotte [14] citam que, em 1957, Caldeyro-Barcia definiu a
Unidade de Montevideu como o produto da media dos picos das contracoes uterinas
(medidos em milımetros de mercurio) pelo numero de contracoes no intervalo de 10
minutos. Em seguida, definiu-se que uma atividade uterina adequada em perıodo de
parto deve ser maior ou igual a 200 unidades de Montevideu. Este parametro, apesar
de bastante utilizado, nao inclui a duracao das contracoes em seu calculo.
Definiu-se, entao, a Unidade de Alexandria, que multiplica a media dos picos das
contracoes uterinas (medidos em milımetros de mercurio) pelo tempo medio de du-
racao destas contracoes e pelo numero de contracoes no intervalo de 10 minutos. Uma
tecnica computacional utilizada e a de integracao da area sob a curva da contracao.
Alem da movimentacao uterina, o ritmo ou frequencia das contracoes tambem e
importante. Algumas classificacoes sao estabelecidas, entretanto nao sao de uso uni-
versal. Uma das consequencias, por exemplo, de contracoes uterinas muito frequentes,
sem um intervalo entre elas, e a possibilidade de se impedir o fluxo sanguıneo para o
feto por compressao constante do cordao umbilical [50].
2.5.4 Outros fatores que afetam as contracoes uterinas
Para compreender e tentar corrigir padroes anormais de contracoes uterinas e as
reacoes causadas por elas na FCF, e importante levar em consideracao aspectos in-
trınsecos e extrınsecos que afetam a contratilidade uterina. Estes aspectos podem
se manifestar tanto diminuindo quanto aumentando a intensidade e a duracao das
contracoes.
Dois aspectos intrınsecos sao a posicao materna e a existencia de patologias,
tais como pre-eclampsia ou o rompimento da placenta. Este ultimo normalmente
causa o mais alto grau de hiperatividade uterina, podendo-se encontrar problemas de
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 22
hipertonus uterino ou ainda algum outro nıvel de hiperatividade, indicando sofrimento
fetal. Inclusive em casos com pouco sangramento vaginal, apenas a deteccao destes
tipos de padroes, em conjunto com a verificacao da existencia de padroes anormais de
FCF, podem levar a se fazer fortes consideracoes sobre a possibilidade de rompimento
da bolsa placentaria.
Do exposto, e fato que a analise das contracoes uterinas maternas e de grande im-
portancia para uma completa interpretacao do monitoramento fetal eletronico atraves
do uso de cardiotocografias, principalmente correlacionando-as com a ocorrencia de
alteracoes na FCF.
2.6 Criterios da FIGO
Conforme citado anteriormente, visando gerar uma uniformizacao na nomenclatura e
nos criterios de analise das cardiotocografias, a FIGO definiu seu conjunto de criterios,
os quais serao utilizados neste trabalho.
A FIGO classifica uma CTG anteparto em tres categorias: “Normal”, “Suspeita”
e “Patologica”, determinando as condicoes de cada variavel separadamente, como
explicado a seguir.
Uma CTG e considerada NORMAL quando:
• a linha de base encontra-se entre 110 a 150 bpm;
• a variabilidade esta no intervalo de 5 a 25 bpm;
• ausencia de desaceleracoes, exceto desaceleracoes de pequena intensidade e de
curta duracao;
• presenca de pelo menos duas aceleracoes em um intevalo de 10 minutos.
Uma CTG e considerada SUSPEITA quando:
• a linha de base encontra-se nos intervalos de 100 a 110 bpm ou de 150 a 170
bpm;
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 23
Variavel Normal Suspeito PatologicoLinha de Base(bpm)
[110,150] [100,110) ou(150,170]
< 100 ou > 170ou Sinusoidal
Variabilidade(bpm)
[5,25] > 25 ou [5,10]tempo > 40 min.
< 5 por mais de40 min.
Aceleracoes(freq.)
≥ 2 Acel. em 10min.
Apenas 1 Acel.em 10 min.
Ausencia
Desaceleracoes(freq.)
Ausencia ou levee esporadica decurta duracao
esporadica dequalquer tipo,exceto grave
periodica dequalquer tipo ouesporadica graveou prolongadaou tardia
Tabela 2.1: criterios estabelecidos pela FIGO.
• a variabilidade encontra-se no intervalo de 5 a 10 bpm por mais de 40 minutos;
• a variabilidade encontra-se acima de 25 bpm;
• ausencia de aceleracoes por mais de 40 minutos;
• desaceleracoes esporadicas, de qualquer tipo, exceto na ocorrencia de uma de-
saceleracao severa.
Uma CTG e considerada PATOLOGICA quando:
• a linha de base encontra-se abaixo de 100 ou acima de 170 bpm;
• a variabilidade encontra-se abaixo de 5 bpm por mais de 40 minutos;
• existencia de desaceleracoes periodicas e recorrentes;
• presenca de desaceleracoes variaveis graves, prolongadas ou tardias;
• ocorrencia de padrao sinusoidal da linha de base da FCF com frequencia menor
que 6 ciclos, amplitude maior ou igual a 10 bpm e duracao maior que 20 minutos.
A Tabela 2.1 apresenta um resumo da definicao desses criterios. Entretanto,
mesmo com esta padronizacao estabelecida, a analise das duas variaveis em uma
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 24
CTG, contracoes uterinas e FCF, bem como sua correlacao, podem ser interpretadas
de varias maneiras e estao sujeitas a erros. Com isto, o uso de sistemas de auxılio ao
diagnostico computadorizados tem o objetivo de alcancar interpretacoes mais precisas
destas informacoes.
2.7 Cardiotocografia Computadorizada
Analisando-se todos os aspectos abordados no decorrer deste Capıtulo, ve-se que o
uso de cardiotocografias para o monitoramento do bem estar fetal e uma ferramenta
bastante util. A FEBRASGO indica o uso de cardiotocografia em diversas fases e
situacoes para analise da vitalidade fetal e acompanhamento de gestacoes de risco [1].
A analise visual dos tracados cardiotocograficos (FCF e UC) e uma fonte de infor-
macao com um alto grau de subjetividade, estando sujeita a grande variabilidade de
criterios e limitada reprodutibilidade de resultados [36, 44, 4]. Alem disso, diversos
padroes de nomenclatura e definicoes estabelecidos pela FIGO [13], pela FEBRASGO
[1], ou ainda pelo Royal College de Londres [44] das variaveis analisadas sao causas
de divergencias nos resultado de analise de CTG.
Neste contexto, sistemas computadorizados desenvolvidos estao sendo aperfeicoa-
dos com o intuito de se padronizar nomenclaturas e definicoes para gerar um resultado
de primeiro nıvel confiavel para auxılio ao diagnostico medico. Neste trabalho, sao
apresentados dois sistemas, com suas respectivas definicoes de variaveis consideradas e
algumas caraterısticas de suas saıdas. O primeiro e o “System 8002”, desenvolvido na
Universidade de Oxford, no Reino Unido, sendo bastante difundido no mundo inteiro
e utilizado na Universidade de Sao Paulo - USP, como ferramenta de cardiotocografia
computadorizada. A segunda solucao apresentada e o “CTGOnline”, da Trium, par-
ceira da UFC no projeto SISCTG. Este programa encontra-se instalado na MEAC,
tornando-se, assim, o foco maior das discussoes apresentadas.
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 25
2.7.1 O Sistema Oxford System 8002
E um sistema computadorizado de analise da FCF desenvolvido por Dawes e Redman,
no ano de 1985 em Oxford, Reino Unido, que estabeleceram criterios proprios a serem
utilizados por este sistema [51].
O “System 8002” realiza a analise do tracado de uma CTG e armazena os dados,
permitindo a analise dos seguintes parametros: FCF basal, variabilidade de curto
prazo, episodios de alta e baixa variabilidade, aceleracoes e desaceleracoes da FCF,
perda de sinal, contracoes uterinas e movimentos fetais registrados pela gestante. O
sistema e padronizado para ser utilizado no perıodo anteparto.
Nos primeiros 10 minutos de realizacao do exame, o sistema nao realiza nenhuma
interpretacao. Apos este perıodo, ele realiza a primeira analise do tracado, que e
revista a cada 2 minutos ate que se atinja o criterio de normalidade pre-estabelecido
por Dawes e Redman [7].
O sistema e capaz de monitorar a perda do sinal da FCF. Quando e detectado um
intervalo com perda do sinal, o sistema sinaliza com um traco em linha reta ao marcar
a linha de base. Quando o programa de analise e executado, um alarme de perda do
sinal e fixado quando este atinge 30% do total analisado. A porcentagem final de
perda do sinal em todo o tracado e registrada no laudo final. O sistema nao permite
a analise do tracado quando a perda do sinal e superior a 80%. Nestas situacoes, o
exame e automaticamente interrompido, sendo necessario reiniciar o procedimento.
Alguns problemas tıpicos deste sistema sao a perda do sinal e erros de medicao.
Se uma perda de sinal superior a 25% ocorrer em uma desaceleracao superior a 20
batimentos perdidos, este evento e marcado com um asterisco. Uma perda entre 25%
e 50% e marcada com um sinal de interrogacao e a ocorrencia de perdas superiores a
50% durante uma aceleracao ou desaceleracao superior a 20 batimentos perdidos nao
sao consideradas na analise.
Quanto aos erros de medicao, os monitores fetais ocasionalmente produzem sinais
que podem ser erroneamente interpretados como aceleracoes e desaceleracoes, princi-
palmente se evidenciados trechos isolados com grande diferenca na FCF basal. Estes
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 26
artefatos sao detectados e considerados como perda do sinal, nao sendo considerados
na analise do tracado. O trecho e demarcado na tela do computador, indicando o
perıodo em que ocorre o erro, e a mensagem para verificar o sensor e apresentada.
O sistema apresenta asteriscos para alertar o examinador sobre qualquer desvio de
normalidade. Asteriscos duplos surgem nas situacoes listadas a seguir, e o parametro
anormal aparece em cor purpura na tela.
As condicoes que produzem os duplos asteriscos sao:
• FCF anormal, menor que 115 bpm ou maior que 160 bpm em tracados com
duracao inferior a 30 minutos;
• desaceleracoes com mais de 100 batimentos perdidos ou desaceleracoes em traca-
dos com duracao de 30 minutos;
• ausencia de movimentos fetais e menos de 3 aceleracoes em tracados com du-
racao de 30 minutos;
• ausencia de episodios de alta variabilidade;
• variabilidade de curto prazo inferior a 3 milisegundos;
• ausencia de aceleracoes com menos de 21 movimentos fetais por hora ou variacao
de longo prazo inferior ao percentil 10 em episodios de alta variacao;
• quando a variacao de longo prazo nos episodios de alta variacao e inferior ao
percentil 1 para a idade gestacional.
As condicoes que produzem um asterisco sao:
• variacao de curto prazo com valor maior que 3 ms e menor que 4 ms;
• FCF basal fora dos limites normais (116 bpm a 160 bpm), em tracados com
duracao superior a 30 minutos;
• presenca de pequenas desaceleracoes.
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 27
A maior restricao ao uso do sistema“System 8002” esta no fato de que o algoritmo
desenvolvido por Dawes, no qual baseia seus criterios de funcionamento, apresenta
diversos problemas de falhas na deteccao de variacoes bruscas e na recuperacao de
sinais perdidos, o que e corretamente tratado no algoritmo adotado pelo sistema
“CTGOnLine” apresentado a seguir [7, 47].
Alem disso, nao segue os padroes definidos pela FIGO, mas sim os estabelecidos
pelo RCOG.
2.7.2 O Sistema CTGOnline
O“CTGOnline” e um sistema de cardiotocografia computadorizada desenvolvido pela
empresa Trium, sediada em Munique, na Alemanha, compatıvel com diversos equipa-
mentos cardiotocograficos que realiza deteccoes e analises da FCF e das contracoes
uterinas maternas [52].
A comunicacao e feita interligando-se os cardiotocografos a um servidor de rede
atraves de uma rede local padrao Ethernet baseada no protocolo TCP/IP.
E um sistema baseado em ambiente web, tendo como infra-estrutura de servidor
HTTP a ferramenta de codigo aberto Apache. Entretanto, e desenvolvido utilizando-
se diversas ferramentas proprietarias, tais como a ferramenta de desenvolvimento
ColdFusion, o gerador de graficos LabView e o banco de dados cliente/servidor Mi-
crosoft Access. Isto faz com que o programa seja compatıvel apenas com plataforma
Microsoft Windows.
A juncao dessas diversas solucoes torna sua instalacao bastante complexa, assim
como tambem dificulta acoes de gerencia no servidor do sistema, tais como controle de
versoes, copias de seguranca, dentre outras. Isto tambem encarece seu preco final, uma
vez que se tem que pagar taxas de licenciamento de uso para algumas das ferramentas
utilizadas.
A Figura 2.5 a seguir mostra uma cardiotocografia avaliada pelo “CTGOnline”.
O sistema baseia-se em uma extensao dos criterios estabelecidos pela FIGO, com
suas indicacoes de conformidade ou desconformidade apresentadas de forma grafica
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 28
Figura 2.5: CTG interpretada pelo programa CTGOnline.
nos proprios tracados do exame.
Para compreensao das variaveis utilizadas, e criado um padrao de codificacao que
encontra-se definido a seguir:
Accn numero de Aceleracoes nos ultimos n minutos;
Decn numero de Desaceleracoes nos ultimos n minutos;
V arn variabilidade nos ultimos n minutos;
V arni, j min(V arn) ∈ i e max(V arn) ∈ j, em que
i e j sao representados pelos seguintes valores
I [0,5);
II [5,10); e
III [10, +∞).
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 29
A Tabela 2.2 apresenta um resumo desta extensao, feita para adequacao computa-
cional dos criterios da FIGO para o sistema CTGOnline.
Normal Suspeito PatologicoLinha de Base[110,150] X[100,110) X(150,170] X[0,100] X(170,+∞) XVariabilidade[0,25] X(25,+∞) XV ar30 I,I XV ar30 I,II XV ar30 I,III XV ar30 II,II XV ar30 II,III XV ar30 III,III XAceleracoesAcc30 ≥ 4 XAcc30 ∈ {1, 2, 3} XAcc30 = 0 XDesaceleracoesDec30 = 0 XApenas desacel-eracoes curtas
X
Desaceleracoesseveras
X
Outros tipos X
Tabela 2.2: extensao dos criterios estabelecidos pela FIGO - Sistema CTGOnLine.
Capıtulo 2: Monitoramento Fetal 30
2.7.3 Comparacoes entre os sistemas
A maior vantagem do“CTGOnLine”sobre o“System 8002” e ser um sistema projetado
para funcionar em ambiente web, podendo ser acessado de qualquer lugar a qualquer
tempo, permitindo a equipe medica visualizar a execucao em tempo real de exames
e tambem consultar exames previamente realizados. O “System 8002”, por sua vez,
somente permite acesso no servidor que realiza o monitoramento.
Alem disso, ao contrario do sistema de Oxford, o “CTGOnline” segue um padrao
internacionalmente estabelecido, baseando-se completamente na classificacao deter-
minada pela FIGO [13].
2.8 Conclusao
O monitoramento contınuo da frequencia cardıaca fetal e das contracoes uterinas
permitem que sejam detectadas diversas alteracoes no estado fetal. O bem-estar fetal
e o que se busca com este monitoramento.
Dada a diversidade de padronizacoes existentes para o exame de cardiotocografia,
o uso de sistemas computadorizados torna-se uma alternativa viavel tanto para au-
mentar a precisao quanto a confiabilidade na interpretacao destes exames - sao as
chamadas cardiotocografias computadorizadas.
Neste contexto e feito um levantamento bibliografico sobre as pesquisas que es-
tao sendo realizadas na area em todo o mundo com destaque para as tecnicas de
processamento digital de sinais e de inteligencia computacional.
Capıtulo 3
Estado da Arte
A dificuldade de interpretacao dos sinais em uma cardiotocografia pela grande var-
iedade de parametros, resultando em uma intrınseca subjetividade em sua analise,
fez surgir, em todo o mundo, diversas pesquisas com o intuito de gerar sistemas de
analises e diagnosticos computadorizados.
Este capıtulo apresenta uma revisao bibliografica de diversas pesquisas realizadas
em todo o mundo na tentativa de melhorar a analise de CTGs ou ainda extrair
informacoes mais ricas para os analisadores do sinal.
As abordagens estao classificadas em secoes, sendo a primeira dedicada ao uso de
tecnicas de processamento digital de sinais (PDS) baseadas, por exemplo, em analises
no domınio da frequencia. A segunda abordagem e focada nas solucoes baseadas
em inteligencia computacional aplicada, com redes neurais e sistemas de inferencias
nebulosos. Finalmente, a ultima secao apresenta novas abordagens, inclusive com a
definicao de novas variaveis para analise dos sinais. Ao final, sao apresentados dois
algoritmos utilizados em sistemas de cardiotocografias computadorizadas.
3.1 Sistemas de Processamento Digital de Sinais
Diversas tecnicas de processamento digital de sinais podem ser utilizadas para extrair
informacoes de sinais cardiotocograficos.
31
Capıtulo 3: Estado da Arte 32
A partir de 1993, uma equipe de pesquisa polonesa, liderada por Jezewski pub-
lica uma sequencia de artigos sobre o desenvolvimento de um sistema para analise
computadorizada de cardiotocografias, criando um sistema denominado KOMPOR
SYSTEM [20]. O projeto pesquisou o interfaceamento de equipamentos de moni-
toramento fetais [21], a comunicacao confiavel em sistemas cardiotocograficos [27],
o desenvolvimento de tecnicas ergonomicas de visualizacao [23], e ainda a interpre-
tacao computadorizada do sinal utilizando um algoritmo proprio comparando-o com
outras tecnicas desenvolvidas por grandes fabricantes mundiais [22]. O projeto partiu
desde o projeto de hardware ate a interpretacao por meio de programas; no entanto,
com o avanco de novas tecnicas, sua implementacao e inferior as tecnicas disponıveis
atualmente para analise de sinais cardiotocograficos.
Salamalekis et. al (2002), propoe a utilizacao de transformadas wavelets para
estimar a potencia em diferentes intervalos de frequencia para diversos estados fetais
unida ao monitoramento contınuo da oximetria fetal, ou seja, do nıvel de oxigenio no
sangue. Estas variaveis, submetidas a uma rede neural auto-organizavel (SOM - Self-
organising Map Neural Network), apresentam resultados promissores de classificacao
da hipoxia fetal [45]. No entanto, a deteccao da hipoxia fetal e apenas um dos diversos
aspectos que podem ser determinados com a analise de cardiotocografias, o que torna
o sistema muito superficial em relacao ao interesse das equipes medicas envolvidas
neste tipo de trabalho.
Com outra abordagem, Noguchi et. al. apresentam uma sequencia de publicacoes
nas quais sao feitas diversas analises no domınio da frequencia da FCF e de sua
variabilidade. O metodo da funcao integral aplicado a analise da variabilidade se
mostra uma tecnica sensıvel na deteccao de alteracoes e de baixo custo computacional
[34]. Em seguida, o mesmo metodo e utilizado diretamente na FCF apresentando
bons resultados na deteccao de alteracoes dos padroes da frequencia cardıaca fetal,
realcando componentes de frequencia desta variavel [35]. Comparando esta tecnica
com outras abordagens, tais como a utilizacao de filtros LPF-Improved, o metodo
da funcao integral de Noguchi apresenta boa performance. A grande restricao desta
Capıtulo 3: Estado da Arte 33
abordagem esta no fato de nao poder ser utilizada concomitante a realizacao do
exame, isto e, em tempo real. Sua aplicacao e feita apenas de maneira posterior, o
que pode comprometer o tempo de resposta necessario de alguma intervencao por
parte da equipe medica.
3.2 Sistemas utilizando Inteligencia Computacional
Tecnicas de inteligencia computacional, por possuirem carater inerentemente nao lin-
eares, estao sendo largamente empregadas na analise do monitoramento fetal eletronico.
Trabalhando na deteccao dos batimentos cardıacos fetais, isto e, na deteccao dos
complexos QRS de fetos, Outram e Ifeachor [37] apresentam um sistema de dois nıveis
sendo o primeiro considerado uma camada de pre-processamento implementado por
um filtro para detectar os complexos QRS, isto e, os batimentos cardıacos fetais, e
em seguida um modulo de reconhecimento de padroes para classificacao. Para isto,
compara o uso de uma rede neural artificial baseada no Perceptron multicamada -
MLP (Multi-layer Perceptron) com o metodo da correlacao. Este ultimo apresenta os
melhores resultados, alem do custo computacional ser menor. A deteccao das ondas
QRS em fetos e de importancia crucial na deteccao da variabilidade de curto prazo
(STV). Sua implementacao deve ser embarcada no proprio cardiotocografo e nao no
programa de analise do exame, que e o objetivo deste trabalho.
Com foco em reconhecimento de padroes, Romero et. al. [43] realizam a clas-
sificacao de exames cardiotocograficos utilizando uma rede neural artificial tambem
baseada no modelo MLP unida a uma aplicacao de PCA (Principal Component Anal-
ysis), visando tornar a analise independente da linha de base. No mesmo trabalho, a
utilizacao de MR-PCA (Multi-Resolution Principal Component Analysis) tambem e
utilizada, concluindo-se que o uso de redes neurais pode ser uma boa ferramenta de
classificacao.
Hackzell [16], por sua vez, desenvolve um estudo baseado em dois tipos de re-
des neurais artificiais, sendo o primeiro com o uso de uma rede do tipo SOM e o
Capıtulo 3: Estado da Arte 34
seguinte com o uso de uma rede MLP. Em ambos e alcancado um nıvel satisfatorio de
classificacao, porem sem um detalhamento quantitativo dos resultados da pesquisa.
Na Italia, Signorini e Magenes em [32, 48, 31], tracam uma linha de pesquisa
aplicando tanto o uso de RNA - Redes Neurais Artificiais quanto de sistemas nebulosos
de inferencia para a classificacao de cardiotocografias.
No primeiro trabalho, a equipe baseia-se na classificacao de cardiotocografias por
redes neurais nao supervisionadas, conhecidas como Redes de Kohonen. Os resultados
obtidos sao bastante promissores mesmo com a utilizacao de arquiteturas simples de
redes e com um numero limitado de conjunto de treinamento. A intencao e, neste
caso, classificar o estado fetal como normal ou patologico.
No segundo trabalho considera-se a utilizacao de um sistema de classificacao neb-
uloso tendo como variaveis de entrada um conjunto de dez parametros estatısticos,
temporais e do domınio da frequencia. A utilizacao deste grande numero de variaveis
e problematico para uso no dia-a-dia de um ambiente medico por adicionar variaveis
e classificacoes que nao possuem respaldo da comunidade medica internacional. O
foco deste trabalho e a deteccao de apenas duas condicoes: retardamento de cresci-
mento intra-uterino, conhecida como IUGR (Intra Uterine Growth Retardation) e a
existencia de diabete materna do tipo 1. O trabalho utiliza ainda dez diferentes clas-
sificadores nebulosos baseados tanto no modelo de Mamdani quanto no modelo de
Takagi-Sugeno.
No terceiro trabalho e utilizado um conjunto de solucoes baseadas em redes neurais
e logica nebulosa para a criacao de um sistema de classificacao mais robusto. Consiste
na uniao dos dois sistemas apresentados anteriormente e tem como objetivo principal
oferecer um sistema mais completo e com maior analise de requisitos para auxılio ao
diagnostico medico.
Ainda nesta linha, Ulbricht [53] implementa um sistema de dois nıveis de redes
neurais para classificacao de patologias em cardiotocografias. O primeiro nıvel tem
como entrada as informacoes diretas dos sinais FCF e UC, tendo uma camada de
Capıtulo 3: Estado da Arte 35
saıda que ja faz um determinado tipo de classificacao baseada nestes dois paramet-
ros, como por exemplo a ocorrencia de taquicardia ou de bradicardia. Em seguida,
estas informacoes obtidas na saıda sao submetidas a outra rede neural, que realiza
uma classificacao baseada em diagnostico, como por exemplo, feto em estado normal,
hipoxia fetal, necessidade de intervencao imediata, dentre outras.
As implementacoes de Ulbricht, Signorini e Magenes podem servir como possıveis
trabalhos para aperfeicoamento do SISCTG.
3.3 Entropia Aproximada
Em uma outra vertente, novas abordagens para avaliacao dos sinais coletados em uma
CTG - FCF e UC - estao sendo desenvolvidas [40, 30].
Destaque para o estudo do comportamento da entropia aproximada tanto da FCF
como tambem da variabilidade da FCF como forma de determinar o nıvel de energia
existente no sinal fetal, fornecendo um parametro sensıvel a alteracoes.
Segundo Morris [30], todos os processos reais no mundo - quer sejam processos
fısicos, biologicos, geologicos e outros - possuem algumas caracterısticas em comum.
Todos eles envolvem fenomenos que acontecem no espaco e no tempo, e todos eles
envolvem uma interligacao entre duas importantes entidades: energia e entropia.
A entropia aproximada (Approximate Entropy - ApEn) e uma medida do grau de
dispersao de um sistema. Foi definida por Pincus [40] e desde entao diversos estudos
estao sendo realizados, encontrando forte aplicabilidade na analise de sinais biologicos.
3.4 O Algoritmo Dawes
Dawes [11] e o primeiro estudioso a desenvolver, no inıcio dos anos 1980, pesquisas
para o desenvolvimento de um algoritmo para analise computadorizada de CTGs.
Para isso, utiliza-se de filtros de frequencia para determinar as variaveis relacionadas
a FCF.
Capıtulo 3: Estado da Arte 36
A execucao do algoritmo de Dawes deve ser realizada apos os primeiros 10 minutos
de exame e repetida a cada 2 minutos, podendo ser dividida nos seguintes passos:
algoritmo de deteccao de erro, para verificacao de falhas nas medicoes; interpolacao e
agregacao; calculo da linha de base da FCF; calculo das aceleracoes e desaceleracoes
e, por ultimo, o calculo da variabilidade (LTV).
Um dos problemas existentes no metodo utilizado por Dawes e o fato de nao
detectar corretamente no caso em que existem alteracoes como aceleracoes no inıcio
do exame, e tambem nao consegue acompanhar deslocamentos da FCF basal.
Diversas modificacoes de seu algoritmo foram realizadas, principalmente por Red-
man, com o intuito de corrigir suas deficiencias e melhora-lo na deteccao das infor-
macoes.
Todas as publicacoes de Dawes, Redman e seus pesquisadores parceiros foram su-
perficiais e nao deram detalhes de sua implementacao. Com o lancamento do sistema
“Oxford System 8002”, a implementacao ficou ainda mais fechada e de difıcil analise
[47].
3.5 O Algoritmo DMW
Daumer e Neiss [10] desenvolvem um algoritmo para analise em tempo real ou on-
line de sinais biologicos, com deteccao de deslocamentos, oscilacoes e limites. Este
algoritmo e denominado de Delayed Moving Window ou Janela Movel Atrasada e
e a base de deteccao e classificacao atualmente utilizada no sistema “CTGOnline”
utilizado na MEAC e foco deste projeto.
O DMW e um algoritmo adaptativo para detectar irregularidades, saltos e valores
discrepantes em um sinal no tempo, podendo, nestes casos, ser utilizado como sistema
de alarme em tempo real.
O modo mais simples de definicao de sistema de alarme e baseado na utilizacao
de dois limites fixos utilizados para controlar o sinal. Se o sinal ultrapassa o limite
superior ou cai abaixo do limite inferior, o alarme e disparado. Este tipo de sistema
Capıtulo 3: Estado da Arte 37
nao leva em consideracao a possibilidade de ocorrencia de medicoes erroneas, valores
discrepantes momentaneos (que pode ser causado pela falha na deteccao do sinal)
nem a existencia de irregularidades ou de saltos no sinal causados, no caso de car-
diotocografias, pela movimentacao materna ou fetal. Estas alteracoes podem levar os
sinais monitorados a se reestabilizarem em um novo nıvel de base, o que tambem nao
e considerado por este tipo de sistema.
O DMW contorna esses problemas. Ele utiliza um sistema de alarme baseado em
limites, mas estes limites sao continuamente recalculados de acordo com o historico
do sinal monitorado em uma janela movel denominada como “atrasada”, isto e, que
considera os valores anteriores do sinal.
O algoritmo implementado por Daumer implementa solucoes para alguns impor-
tantes problemas encontrados nos sinais de cardiotografias:
• Substituicao de vazios ou zeros causados por falhas na deteccao;
• Deteccao de valores discrepantes dos valores que vem sendo apresentados pelo
sinal;
• Calculo da linha de base da FCF.
Apos este tratamento, as deteccoes de aceleracoes, desaceleracoes e o calculo da
variabilidade sao realizados. O metodo tem o objetivo de ser simples, de tal forma
que nao matematicos, como medicos e enfermeiras possam avalia-lo e contribuir para
sua melhoria.
Comparado a outros algoritmos utilizados em pesquisas para analises de CTG
computadorizadas, o DMW apresenta boa performance e confiabilidade, detectando
corretamente alteracoes significativas no sinal e tratando adequadamente falhas de
medicoes dos sensores.
Capıtulo 3: Estado da Arte 38
3.6 Conclusao
No intuito de utilizar sistemas automatizados para a analise de cardiotocografias,
diversas implementacoes e estudos vem sendo realizados em universidades e empresas.
Este capıtulo apresenta algumas dessas abordagens, dando maior enfase para a area de
Inteligencia Computacional Aplicada, destacando-se as tecnicas que sao empregadas.
O algoritmo DMW, utilizado pelo sistema CTGOnLine e bastante eficiente na
deteccao e tratamento dos sinais monitorados, sendo adequado para utilizacao com-
binada com um sistema de auxılio ao diagnostico baseado em inteligencia computa-
cional, em especial na combinacao de regras determinısticas com logica nebulosa.
Capıtulo 4
Implementacao do SISCTG
O SISCTG e um sistema hıbrido utilizado para a classificacao de cardiotocografias,
constituıdo por um componente determinıstico para a analise das desaceleracoes e
seus tipos, e por um sistema de inferencia nebuloso, baseado no modelo de Mamdani,
levando em consideracao a FCF basal, as variabilidades de longo e de curto prazo e a
quantidade de aceleracoes transitorias.
Uma discussao sobre os conceitos de logica nebulosa, suas operacoes matematicas
e um exemplo basico de aplicacao se encontram no Apendice B.
4.1 Sistema de Inferencia Nebuloso
Segundo Mendel [29], em geral, um sistema de logica nebulosa e um mapeamento nao
linear de um vetor de dados de entrada em uma saıda escalar.
Modularmente, um sistema de inferencia nebuloso (fuzzy inference system, FIS)
pode ser representado por um conjunto de subsistemas, cada um realizando uma
tarefa conforme pode ser visto na Figura 4.1.
Cada um dos elementos componentes do diagrama projetado para o sistema SISCTG
e explicado a seguir.
39
Capıtulo 4: Implementacao do SISCTG 40
Figura 4.1: diagrama em blocos de um sistema de inferencia nebuloso.
4.1.1 Variaveis de Entrada e Saıda
O primeiro passo para o desenvolvimento de um sistema fuzzy bem sucedido esta na
escolha e modelagem das variaveis de entrada e de saıda do sistema.
Normalmente, e necessario que um especialista, na area de abrangencia do sistema,
esteja presente para realizar esta modelagem. Por exemplo, caso seja desenvolvido
um sistema de inferencia fuzzy para a area de Engenharia Biomedica, um medico ou
mesmo uma equipe medica sao necessarios para determinar quais variaveis de entrada
do sistema sao relevantes e que valores irao assumir. Da mesma forma, esta mesma
equipe tambem deve determinar as variaveis de saıda do sistema que, neste exemplo
especıfico, podem ser classificacoes de possıveis patologias.
A primeira versao do SISCTG, consta de um sistema fuzzy para analise de duas
variaveis de entrada de uma CTG que sao a FCF basal e a variabilidade da FCF [28].
Na versao apresentada neste trabalho, as variaveis de entrada estao de acordo com
as definicoes usualmente seguidas pela equipe medica da area obstetrica da MEAC.
Somente a variabilidade de curto prazo (STV) teve seus valores especificados durante
Capıtulo 4: Implementacao do SISCTG 41
o projeto SISCTG, uma vez que e levada em consideracao a partir da implantacao do
exame de CTG computadorizada na instituicao.
As variaveis de entrada sao: frequencia cardıaca fetal basal, variabilidade de longo
prazo, variabilidade de curto prazo, aceleracoes e desaceleracoes.
Frequencia Cardıaca Fetal Basal - a FCF basal do feto e o ponto de partida
para diversas interpretacoes de seu bem-estar. E identificada pela sigla FCFB.
Variabilidade de Longo Prazo - e a variabilidade comumente analisada hoje
nos exames realizados na MEAC, denominada de LTV. Um componente determinıs-
tico tambem e utilizado para o caso de ocorrencia de dois padroes nao usuais de
variabilidade denominados lisa e sinusoidal.
Variabilidade de Curto Prazo - e a variabilidade calculada a cada batimento
cardıaco do feto, por isso nao pode ser analisada visualmente. Com o uso do sis-
tema CTGOnLine, a equipe medica podera contar com mais esta variavel de analise,
denominada STV.
Aceleracoes - o numero e o tipo de aceleracoes (principalmente se sao de pequeno
porte, ou hipoaceleracoes) sao importantes para se determinar a vitalidade fetal. Um
componente determinıstico e utilizado para o caso de ocorrencia de hipoaceleracoes.
E identificada como ACEL.
Desaceleracoes - tipos e numero de ocorrencias - e uma variavel de entrada
complexa para ser fuzzyficada por possuir diversos tipos e para cada um deles algumas
classificacoes. Neste caso, e criado um componente determinıstico para o sistema, de
acordo com o exame realizado. Este conjunto de informacoes sobre as desaceleracoes
e chamado de DCEL.
A Tabela 4.1 apresenta um resumo dos valores e classificacoes utilizadas no sistema
SISCTG.
Nota-se que cada variavel possui tres possıveis classificacoes: reativo, que rep-
resenta o estado aproximado de bem-estar fetal; hiporreativo, que pode indicar um
estado de alteracao do feto; e nao reativo, que indica sofrimento fetal.
A saıda do SISCTG, chamada de DIAG, e um diagnostico de primeiro nıvel do
Capıtulo 4: Implementacao do SISCTG 42
Variavel Reativo Hiporreativo Nao reativoFCFB (bpm) [110,160] [100,110) ou
(160,180]< 100 ou > 180
LTV (bpm) ≥ 5 e < 20 < 5 e ≥ 20 Lisa ou Sinu-soidal
STV (ms) [2.5,7.5] [1.5,2.5) ou(7.5,9.5]
< 1.5 ou > 9.5
ACEL ≥ 2 1 aceleracao ouhipoaceleracoes
ausencia
DCEL ausencia DIP I; DIPII favoraveisisoladas; Pro-longadas ≤ 3min.
DIP II; Variaveisseveras; Prolon-gada > 3 min.
Tabela 4.1: SISCTG - criterios definidos pela MEAC.
estado fetal. A esta variavel sao associados tres nıveis de conclusao, a saber, normal,
subnormal ou patologico, sendo definidos da seguinte forma:
• Normal: feto em normais condicoes. Todas as variaveis de entrada pertencem
a categoria reativa.
• Subnormal: um ou mais valores, exceto todos, das variaveis de entrada e da
categoria hiporreativo e os outros sao da categoria reativa.
• Patologico: deteccao de alteracoes significativas no feto. As variaveis de entrada
sao todas da categoria hiporreativa ou um ou mais parametros pertencem a
categoria nao reativa.
4.1.2 Modulo Fuzzyficador
O bloco fuzzyficador de um Sistema Nebuloso e responsavel por transformar as var-
iaveis linguısticas de entrada em valores das funcoes de pertinencia dos conjuntos
nebulosos [55].
Capıtulo 4: Implementacao do SISCTG 43
Para a construcao do fuzzyficador, normalmente conta-se com a participacao de
um especialista do universo do problema em discussao para que sejam definidos di-
versos parametros, tais como:
• tipo de funcao de pertinencia a ser utilizada;
• numero de conjuntos nebulosos necessarios para representar uma variavel lin-
guıstica;
• areas de intersecao entre os conjuntos;
• limites inferior e superior dos conjuntos;
• valor ou intervalo de pico dos conjuntos.
A partir dos valores disponıveis na Tabela 4.1, as variaveis nebulosas tanto de
entrada quanto de saıda do SISCTG sao definidas.
ENTRADA 1 - FCF Basal - FCFB
Tipo de funcao de pertinencia: Gaussiana.
FCFB = {Bradicardia Acentuada, Bradicardia Leve, Normal, Taquicardia Leve,
Taquicardia Acentuada}Bradicardia Acentuada: 0 ≤ FCFB ≤ 100
Bradicardia Leve: 90 ≤ FCFB ≤ 120
Normal: 110 ≤ FCFB ≤ 160
Taquicardia Leve: 150 ≤ FCFB ≤ 190
Taquicardia Acentuada: FCFB ≥ 180
ENTRADA 2 - Variabilidade de longo prazo - LTV da FCF
Na ocorrencia dos padroes nao usuais de LTV, o diagnostico e deterministicamente
dado como Patologico.
Tipo de funcao de pertinencia: Gaussiana.
Capıtulo 4: Implementacao do SISCTG 44
LTV = {Baixa, Normal, Alta}Baixa: 0 ≤ LTV ≤ 7
Normal: 5 ≤ LTV ≤ 22
Alta: LTV ≥ 18
ENTRADA 3 - Variabilidade de curto prazo - STV da FCF
Tipo de funcao de pertinencia: Gaussiana.
STV = {Acentuadamente Baixa, Levemente Baixa, Normal, Levemente Alta,
Acentuadamente Alta}Acentuadamente Baixa: STV ≤ 1,5
Levemente Baixa: 1,5 ≤ STV < 2,5
Normal: 2,5 ≤ STV ≤ 7,5
Levemente Alta: 7,5 < STV ≤ 9,5
Acentuadamente Alta: STV > 9,5
ENTRADA 4 - Aceleracoes - ACEL
Tipo de funcao de pertinencia: Gaussiana.
Para o caso de ocorrencia de hipoaceleracoes, a variavel ACEL sera definida de-
terministicamente como Hiporreativa.
ACEL = {Ausente, Baixa, Normal}Ausente: ACEL = 0
Baixa: 0 < ACEL < 2
Normal: ACEL ≥ 2
ENTRADA 5 - Desaceleracoes - DCEL
E a unica variavel de entrada que nao contem caracterısticas nebulosas, uma vez
que sua interpretacao depende de sua existencia ou nao e ainda, caso exista, apenas
de seu tipo. E definida como um conjunto de variaveis determinısticas que seguem o
Capıtulo 4: Implementacao do SISCTG 45
padrao de classificacao estabelecido na Tabela 4.1.
DCEL = {Ausente, Presente};TIPODCEL = {DIP I, DIP II, DIP II Isolada, Prolongada, Variavel, Variavel
Severa};DURACAODCEL = tempo, em minutos, de duracao da desaceleracao.
SAIDA - Diagnostico - DIAG
Tipo de funcao de pertinencia: Gaussiana.
DIAG = {Normal, Subnormal, Patologico}Normal: 0 ≤ DIAG ≤ 100
Subnormal: 90 ≤ DIAG ≤ 200
Patologico: 170 ≤ DIAG ≤ 300
Vale ressaltar que sao utilizadas funcoes de pertinencia gaussianas em todas as var-
iaveis nebulosas do sistema. Testes realizados com funcoes triangulares e trapezoidais
nao apresentaram diferenca nos resultados obtidos. Uma discussao mais detalhada
sobre os tipos de funcao de pertinencia existentes pode ser encontrada no Apendice
A.
Apos a fuzzyficacao das variaveis do problema, as operacoes fuzzy sao realizadas
baseadas em um conjunto de regras previamente criadas, apresentadas a seguir.
4.1.3 Base de Regras de Inferencia
A base de regras, de um maneira simplificada, representa a inteligencia do sistema
nebuloso, ou seja, e a representacao do conhecimento humano. Esta modelagem e feita
em forma de regras “SE-ENTAO”, que normalmente sao obtidas atraves da consulta
a especialistas no universo de discurso ao qual pertence o sistema nebuloso.
O formato geral de uma regra de inferencia e
SE (variavel de entrada igual a X) ENTAO (variavel de saıda igual a Y).
Capıtulo 4: Implementacao do SISCTG 46
A condicao estabelecida na clausula “SE” e formada por uma ou mais variaveis
de entrada do sistema. A conclusao da regra, presente na clausula “ENTAO” e uma
classificacao baseada na variavel de saıda do sistema.
Em problemas reais, nao raro sao encontrados casos em que nao existem espe-
cialistas disponıveis para a criacao da base de regras de inferencia. Uma alternativa
bastante utilizada e a utilizacao de sistemas “neurofuzzy”, que consistem na uniao de
redes neurais artificiais e sistema de inferencia nebuloso [38, 39].
Para o tipo de abordagem apresentado, em uma primeira fase, denominada fase
de treinamento, uma rede neural artificial e treinada atraves de uma base de exem-
plos previamente classificados. Atraves de sua capacidade de aprendizagem e gen-
eralizacao, a rede neural treinada cria as regras que sao utilizadas na segunda fase,
denominada fase de classificacao, na qual o sistema de inferencia fuzzy realiza uma
tomada de decisao [38, 39].
O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema hıbrido com um
modulo determinıstico e outro baseado no modelo de inferencia fuzzy, utilizando um
conjunto de regras previamente estabelecidas pela equipe medica especializada da
MEAC.
O conjunto completo de regras determinısticas do sistema esta apresentado na
Tabela 4.2.
O numero de regras de inferencia utilizadas fuzzy ri, i = 1, ..., N , depende intrin-
secamente do problema. Para o SISCTG, sao definidos dois conjuntos distintos de
regras, sendo o primeiro somente com as regras determinısticas definidas para classi-
ficar os aspectos determinısticos das variaveis de entrada, e o segundo, com as regras
utilizadas pela maquina de inferencia nebulosa.
Apos o estudo das variaveis em questao, e definido um conjunto de quarenta e
duas regras de inferencia para o sistema. Na Tabela 4.3 e mostrado um subconjunto
de quinze destas regras nebulosas. Vale ressaltar que o numero total de regras seria
equivalente a todas as combinacoes possıveis dos valores das variaveis de entrada.
No entanto, para determinados valores de algumas variaveis, a sua combinacao com
Capıtulo 4: Implementacao do SISCTG 47
SISCTG - Regras Determinısticas
Se DCEL e “Ausente” entao “avaliar outras variaveis”Se DCEL e “Presente” entao “avaliar TIPODCEL”Se TIPODCEL e “DIP-I” entao DIAG e “Subnormal”Se TIPODCEL e “DIP-II isoladas” entao DIAG e “Subnormal”Se TIPODCEL e“Prolongada”e DURACAODCEL e“≤ 3 minutos”entaoDIAG e “Subnormal”Se TIPODCEL e “DIP-II” entao DIAG e “Patologico”Se TIPODCEL e “Variavel Severa” entao DIAG e “Patologico”Se TIPODCEL e“Prolongada”e DURACAODCEL e“> 3 minutos”entaoDIAG e “Patologico”Se LTV e “Lisa” entao DIAG e “Patologico”Se LTV e “Sinusoidal” entao DIAG e “Patologico”Se ACEL e “Hipoaceleracoes” entao DIAG e “Subnormal”
Tabela 4.2: SISCTG - conjunto de regras determinısticas.
as outras torna-se desnecessaria. Por exemplo, caso a FCFB seja classificada como
“Bradicardia Acentuada”, esta informacao, por si so, ja permite determinar a saıda
do sistema como “Patologico” (primeira regra da Tabela 4.3).
A aplicacao das regras entre as cinco variaveis de entrada e a variavel de saıda e
feita atraves do uso deste conjunto de regras de inferencia, seguindo uma abordagem
definida na maquina de inferencia do sistema.
4.1.4 Maquina de Inferencia
De posse das regras, a maquina de inferencia fuzzy efetua as operacoes sobre os
conjuntos nebulosos para a obtencao de um conjunto de saıda tambem nebuloso.
Existem varios modelos de operacoes para combinacoes de regras [46].
O sistema de inferencia de Mamdani e um modelo bastante utilizado na area
de sistemas de tomada de decisao, pelo baixo custo computacional e simplicidade de
Capıtulo 4: Implementacao do SISCTG 48
implementacao. Este modelo define que para o caso do tratamento de varias variaveis
de entrada deve ser utilizado o conectivo“E”, que corresponde a operacao matematica
intersecao ou ∩.
Por exemplo, para o presente projeto, com as quatro variaveis de entrada sob
determinadas condicoes e uma conclusao de saıda, tem-se:
SE (FCFB = “Taquicardia Leve”) E (LTV = “Normal”) E (STV = “Normal”) E
(ACEL = “Normal”) ENTAO (DIAG = “Normal”)
Uma vez definido o conjunto de regras que utilizam o operador de intersecao,
a operacao de juncao destas regras e feita atraves do termo conectivo “OU”, que
corresponde a operacao matematica uniao ou ∪. Assim, no presente projeto, sendo o
sistema nebuloso do tipo Mamdani, o conjunto de regras deve ser avaliado da seguinte
forma:
SE (FCFB = “Taquicardia Leve”) E (LTV = “Normal”) E (STV = “Normal”) E
(ACEL = “Normal”) ENTAO (DIAG = “Normal”)
OU
SE (FCFB = “Normal”) E (LTV = “Baixa”) E (STV = “Baixa”) E (ACEL =
“Normal”) ENTAO (DIAG = “Subnormal”)
OU
SE (FCFB = “Normal”) E (LTV = “Normal”) E (STV = “Normal”) E (ACEL =
“Baixa”) ENTAO (DIAG = “Normal”)
Segue, assim, sucessivamente, uma analise em paralelo de todas as regras, resul-
tando em um conjunto nebuloso de saıda.
No SISCTG, a maquina de inferencia deve levar em consideracao que existem
tanto regras de inferencia nebulosas quanto regras determinısticas. Estas ultimas, por
serem estabelecidas para o tratamento de situacoes em que nao existe fuzzyficacao da
informacao, sao avaliadas anteriormente ao conjunto de regras de inferencia nebulosas.
Capıtulo 4: Implementacao do SISCTG 49
Como o resultado das regras de inferencias e tambem um conjunto nebuloso, e
necessario obter uma saıda numerica do sistema utilizando-se, neste caso, um des-
fuzzyficador.
4.1.5 Modulo Desfuzzyficador
Por ultimo, o bloco desfuzzyficador faz o mapeamento da saıda nebulosa da maquina
de inferencia em um numero real. Na verdade, existem dois modelos de saıdas para
sistemas fuzzy, classificados de acordo com a necessidade ou nao de se ter um modulo
desfuzzyficador.
Sistemas baseados nos modelos de Takagi-Sugeno e o de Tsukamoto possuem
saıdas obtidas por tecnicas de interpolacao, utilizando funcoes matematicas lineares
ou nao lineares, geralmente monotonicas, para apresentar um numero real que ja
representa uma saıda para o sistema. Estes modelos sao muito utilizados na area de
controle industrial [46].
Ja os sistemas baseados no modelo definido inicialmente por Mamdani tem como
saıda tambem um conjunto nebuloso, o que torna necessaria a definicao de uma
tecnica de desfuzzyficacao, que consiste em ser especificado um ponto no conjunto
que represente a interpretacao em forma de um numero real da saıda do sistema
nebuloso. Varias tecnicas podem ser utilizadas para encontrar este valor de saida.
Dentre elas podem ser citadas: centro de gravidade, centro ponderado, media dos
maximos ou dos mınimos e ultimo valor maximo.
De acordo com Sandri e Correa [46], a selecao do metodo de desfuzzyficacao esta
relacionada diretamente com as caracterısticas do processo controlado e o compor-
tamento de controle necessario. Os metodos do ultimo valor maximo ou de media
dos maximos, por exemplo, podem gerar saltos na saıda do sistema, resultando em
solavancos no controle de atuadores em circuitos, se for o caso.
Como mecanismo de desfuzzyficacao do SISCTG e utilizado o calculo do centro
de gravidade ou centro de massa, por ser uma das tecnicas mais utilizadas e bem-
sucedidas para este tipo de aplicacao [49].
Capıtulo 4: Implementacao do SISCTG 50
Figura 4.2: interface do sistema SISCTG.
4.2 O Sistema SISCTG
O sistema de inferencia fuzzy para analise de cardiotocografias - SISCTG - classifica
as CTGs, refletindo as regras definidas pelos especialistas da MEAC atraves de um
sistema de auxılio ao diagnostico baseado em inteligencia computacional.
A interface principal do sistema, com todas as informacoes consideradas pelo
SISCTG para um diagnostico preciso, esta apresentada na Figura 4.2.
A saıda do SISCTG apresenta um relatorio contendo um resumo das variaveis de
entrada do sistema e a classificacao do diagnostico obtida pelo sistema de inferencia
nebuloso. Um exemplo deste relatorio pode ser visto na Figura 4.3.
Capıtulo 4: Implementacao do SISCTG 51
Figura 4.3: relatorio de saıda do sistema SISCTG.
4.3 Ambiente da Pesquisa
Para uma completa compreensao da dimensao do projeto SISCTG, e apresentada
toda a solucao computacional e de comunicacao implantadas na MEAC.
A solucao implementada na MEAC objetiva viabilizar a instalacao dos sistemas
CTGOnLine e SISCTG na MEAC gerando o menor impacto possıvel em sua rede de
comunicacao de dados. Um diagrama com as principais caracterısticas desta solucao
esta mostrado na Figura 4.4.
Conforme apresentado anteriormente, o sistema CTGOnLine e um sistema baseado
em ambiente web, com o intuito de poder ser acessado de qualquer lugar a qualquer
tempo, permitindo a equipe medica visualizar a execucao em tempo real de exames e
tambem consultar exames previamente realizados.
Como solucao de seguranca para o trafego de informacoes dos pacientes e de seus
Capıtulo 4: Implementacao do SISCTG 52
Figura 4.4: MEAC - rede de cardiotocografos.
Capıtulo 4: Implementacao do SISCTG 53
exames, o protocolo HTTP (Hypertext Transfer Protocol) e criptografado atraves
da utilizacao da camada SSL (Secure Socket Layer), passando a utilizar o protocolo
seguro HTTPS. Um certificado digital de 128 bits e emitido pelo fabricante do sistema
e deve ser instalado no browser das estacoes clientes que acessam o sistema.
Para que o CTGOnLine funcione, e necessaria a instalacao de um conjunto de
softwares, listados e descritos a seguir.
• Servidor OpenSA baseado no servidor web Apache - e o software servidor de
paginas do sistema. A solucao OpenSA e utilizada por ja vir com suporte a
HTTP e HTTPS integrados.
• Ferramenta de desenvolvimento ColdFusion Express - e um gerenciador de con-
teudos com ambiente de desenvolvimento rapido para a internet.
• Gerador de relatorios HTMLDOC - versao gratuita do software para gerar re-
latorios HTML e converte-los para outros formatos como PDF ou PS.
• Gerenciador de acesso a dispositivos de hardware LabviewVISA - desenvolvido
pela National Instruments, e uma solucao proprietaria que implementa uma API
(Application Programming Interface) de comunicacao com dispositivos com-
putadorizados remotos, quer seja atraves de comunicacao serial, ethernet, dis-
positivos GPIB , dentre outros.
• Sistema para identificacao dos conversores RS-232 para Ethernet MOXA - serve
para identificar e configurar os dispositivos conversores existentes na rede.
Com a implantacao da infra-estrutura necessaria finalizada, passa-se a fase de
pesquisas utilizando o sistema “CTGOnLine” e o conhecimento da equipe medica
especializada da MEAC.
Capıtulo 4: Implementacao do SISCTG 54
4.4 Metodologia de validacao com a Equipe Medica
A validacao dos resultados do SISCTG e feita a partir de dados fornecidos pela Trium
e juntamente com a equipe medica da MEAC, mais especificamente, com a equipe
Obstetrica da Enfermaria, chefiada pelo Professor Doutor Francisco Edson Lucena.
Este setor atende e acompanha, em especial, as gestacoes de risco, sendo o local onde
estao instalados os dois cardiotocografos mais utilizados na Maternidade.
4.5 Conclusao
A logica nebulosa como uma generalizacao da logica bivalente e uma importante e
poderosa ferramenta para o uso em sistemas computacionais das mais diversas areas
de aplicacao.
Os proximos Capıtulos apresentam os resultados do SISCTG em duas pesquisas
realizadas, as conclusoes obtidas e ainda algumas futuras implementacoes possıveis
para o sistema.
Capıtulo 4: Implementacao do SISCTG 55
SISCTG - Regras de Inferencia Fuzzy
Se FCFB e “Bradicardia Acentuada” entao DIAG e “Patologico”Se FCFB e “Taquicardia Acentuada” entao DIAG e “Patologico”Se STV e “Acentuadamente Baixa” entao DIAG e “Patologico”Se STV e “Acentuadamente Alta” entao DIAG e “Patologico”Se ACEL e “Ausente” entao DIAG e “Patologico”Se FCFB e “Normal” E LTV e “Normal” E STV e “Normal” E ACEL e“Normal” entao DIAG e “Normal”Se FCFB e “Taquicardia Leve” E LTV e “Normal” E STV e “Normal” EACEL e “Normal” entao DIAG e “Normal”Se FCFB e “Bradicardia Leve” E LTV e “Normal” E STV e “Normal” EACEL e “Normal” entao DIAG e “Subnormal”Se FCFB e “Normal” E LTV e “Baixa” E STV e “Normal” E ACEL e“Baixa” entao DIAG e “Subnormal”Se FCFB e “Normal” E LTV e “Baixa” E STV e “Baixa” E ACEL e“Normal” entao DIAG e “Subnormal”Se FCFB e “Normal” E LTV e “Normal” E STV e “Normal” E ACEL e“Baixa” entao DIAG e “Normal”Se FCFB e “Bradicardia Leve” E LTV e “Normal” E STV e “Normal” EACEL e “Normal” entao DIAG e “Subnormal”Se FCFB e “Bradicardia Leve” E LTV e “Normal” E STV e “Normal” EACEL e “Baixa” entao DIAG e “Subnormal”Se FCFB e “Taquicardia Leve” E LTV e “Baixa” E STV e “Normal” EACEL e “Baixa” entao DIAG e “Subnormal”Se FCFB e “Taquicardia Leve” E LTV e “Normal” E STV e “Normal” EACEL e “Baixa” entao DIAG e “Subnormal”
Tabela 4.3: SISCTG - subconjunto de regras de inferencia nebulosas.
Capıtulo 5
Resultados
Os resultados da pesquisa realizada no SISCTG sao apresentados em duas etapas.
Na primeira, e abordada uma pesquisa de interpretacao visual de 21 exames car-
diotocograficos realizada junto a equipe medica da MEAC. A segunda etapa consiste
em apresentar os resultados do sistema obtidos em uma base de dados contendo 159
cardiotocografias validadas pela empresa Trium.
5.1 Avaliacao Visual de Cardiotocografias
Para analise do nıvel de subjetividade a que a analise visual de exames cardiotocogra-
ficos esta sujeita, e realizada uma pesquisa qualitativa na intepretacao de 21 exames
de cardiotocografia por parte de 4 especialistas da area de Obstetrıcia.
A pesquisa e realizada em parceria entre o DETI, a MEAC e a Trium e esta divi-
dida em duas partes. A primeira objetiva levantar uma analise qualitativa de varios
quesitos solicitados na classificacao de cardiotocografias. Ja a segunda parte apre-
senta diversas CTGs para que os especialistas possam fazer a deteccao das alteracoes
e ainda a classificacao do estado fetal.
56
Capıtulo 5: Resultados 57
5.1.1 Analise Qualitativa de CTGs
A analise qualitativa de cardiotocografias tem como objetivo o levantamento de in-
formacoes conceituais e qualitativas a respeito da analise de CTGs para que possam
servir de base para o desenvolvimento de sistemas computacionais.
Inicialmente, a pesquisa pergunta o padrao de classificacao oficial seguido. Apenas
um especialista respondeu que nao segue nenhum padrao estabelecido, enquanto os
outros tres informaram que seguem, sem especificar qual.
Vale ressaltar que a classificacao das desaceleracoes e um dos pontos mais contro-
versos na analise visual de CTGs. Com isso, o segundo bloco do questionario solicita
que sejam classificados os parametros avaliados em uma desaceleracao, tanto pela or-
dem em que o medico normalmente avalia o exame, quanto por sua importancia. Os
resultados obtidos em relacao a ordem de analise dos parametros estao sintetizados a
seguir:
• 75% dos pesquisadores analisa em primeiro lugar a correlacao entre a FCF e as
contracoes uterinas;
• 25% considera que esta correlacao deve ser avaliada em terceiro lugar;
• 75% avalia como segundo parametro a duracao da desaceleracao;
• nenhum pesquisador concordou com um mesmo parametro em terceiro lugar na
ordem de classificacao;
• 75% considera o valor mınimo atingido pela FCF como quarto parametro a ser
avaliado;
• 50% dos pesquisadores considera como de menor importancia a velocidade de
retorno a FCF basal, enquanto que outros 50% consideram como menos impor-
tante o valor atingido pela FCF basal apos a desaceleracao.
Quanto ao grau de importancia do parametro na analise de desaceleracoes, os
principais resultados estao mostrados a seguir:
Capıtulo 5: Resultados 58
• 50% dos pesquisadores consideram a correlacao com as contracoes o parametro
mais importante;
• em segundo lugar de importancia esta a duracao da desaceleracao;
• um pesquisador considera como de menor importancia, em um mesmo nıvel, a
FCF mınima, a profundidade da desaceleracao e a FCF basal apos a desaceler-
acao;
• o mesmo pesquisador considera em um nıvel intermediario de importancia a
duracao da desaceleracao, a velocidade de descida e a velocidade de retorno ao
nıvel basal da FCF;
• no entanto, a velocidade de retorno ao nıvel basal da FCF e considerada por
50% dos pesquisadores como o fator de menor importancia a ser avaliado.
O terceiro e o quarto bloco do questionario sao relacionados a classificacao de as-
pectos temporais de desaceleracoes, direcionados a uma pesquisa realizada na empresa
Trium, com o uso de regressoes lineares.
O quinto bloco do questionario pergunta se o medico considera a variabilidade
de curto prazo ou STV na analise de CTGs. Na verdade, a STV somente pode ser
avaliada com o uso de cardiotocografia computadorizada, que esta instalada a partir
do projeto SICTG na MEAC. Somente um medico informa ter condicoes de avaliar a
STV, caso esteja disponıvel. Os outros afirmam nao considerar este parametro.
Por fim, o ultimo bloco do questionario aborda a identificacao de contracoes uteri-
nas em relacao ao tempo de sua duracao. Por vezes, a movimentacao fetal pode gerar
alteracoes no sensor tocografico, resultando em pequenas ondas no tracado das con-
tracoes uterinas. Metade dos pesquisadores considera uma contracao uterina quando
a duracao e maior ou igual a 30 segundos, enquanto um quarto considera somente
com uma duracao maior que 45 segundos. O restante nao forneceu resposta.
O questionario elaborado e entregue aos especialistas pode ser visto nas Figuras
5.1 e 5.2.
Capıtulo 5: Resultados 59
Figura 5.1: pesquisa qualitativa de CTGs - pagina 1.
5.1.2 Diagnostico Visual de CTGs
Na segunda parte do questionario entregue aos pesquisadores especialistas em Ob-
stetrıcia, estao selecionadas 21 cardiotocografias, com alteracoes significativas na FCF
basal, variabilidade, ocorrencias de aceleracoes e desaceleracoes.
Solicita-se que sejam preenchidas as seguintes informacoes para cada CTG: linha
de base da FCF; numero de aceleracoes; viabilidade de se analisar o sinal tocografico;
numero de contracoes uterinas; numero de desaceleracoes e seus tipos; variabilidade
de longo prazo ou LTV da FCF; e, finalmente, um diagnostico do estado fetal. A
Figura 5.3 apresenta um exemplo de CTG.
Para este caso, os resultados obtidos na pesquisa estao descritos a seguir.
Como valor para a linha de base da FCF, as respostas variam de 125 a 135 bpm,
ficando dentro de uma margem aceitavel de variacao. Para o numero de aceleracoes
Capıtulo 5: Resultados 60
Figura 5.2: pesquisa qualitativa de CTGs - pagina 2.
igual a tres, o fato das contracoes uterinas serem visualmente analizaveis e a con-
sideracao de um padrao normal de variabilidade tem-se 100% de concordancia dos
pesquisadores.
O numero de contracoes uterinas detectadas esta diferente para cada pesquisador.
Quanto ao numero de desaceleracoes, metade dos pesquisadores considera que exis-
tem tres, sendo que um deles indica que as tres sao classificadas como DIP II e o
outro classifica apenas uma como DIP II e as outras duas como do tipo Variavel.
Um especialista considera ter duas desaceleracoes, classificando ambas como do tipo
Variavel. O quarto e ultimo considera apenas uma desaceleracao do tipo Variavel.
A diferenca na deteccao das desaceleracoes e, consequentemente, em sua classi-
ficacao, e o principal fator que implica em um diagnostico final no qual 50% dos
especialistas classifica a CTG como “Normal”, enquanto a outra metade classifica
como “Subnormal” ou “Suspeita”.
Capıtulo 5: Resultados 61
Figura 5.3: interpretacao visual de CTGs.
De uma maneira geral, existem significativas discordancias em varios dentre os
exames avaliados. Isto, a princıpio, pode ser avaliado pela inerente subjetividade no
exame visual dos tracados, mas tambem deve ser considerada a falta de padronizacao
existente na analise dos exames. A Tabela 5.1 apresenta o grau de concordancia, em
forma de percentual, entre os especialistas consultados na pesquisa.
Avancando na interpretacao dos dados da Tabela 5.1, tem-se em 28,56% dos ex-
ames uma unanimidade na classificacao, o que pode ser encontrado nos ıtens 1 e 2.
Em 23,80%, referente aos ıtens 3 e 4, uma classificacao (75%) sobressai-se em relacao
a outra (25%). Em 38,80% dos casos, ıtens 5 e 6, ha duvida entre duas classificacoes
com 50% para cada. Em apenas 9,52% das classificacoes, ıtens 7 e 8, uma sobressai-se
relativamente (50%) em relacao as outras duas (cada uma com 25%).
Uma vez que havia interesse em utilizar estes questionarios tambem para um
sistema de deteccao e classificacao de desaceleracoes, e imporante ressaltar que os 21
Capıtulo 5: Resultados 62
Item Percentual de concordancia entre os espe-cialistas na classificacao do exame
Percentual dototal de examespesquisados
1 100% definiram como Normal 14,28%2 100% definiram como Suspeito 14,28%3 75% definiram como Normal e 25% como Suspeito 14,28%4 75% definiram como Suspeito e 25% como Pa-
tologico9,52%
5 50% definiram como Normal e 50% como Suspeito 14,28%6 50% definiram como Suspeito e 50% como Pa-
tologico23,80%
7 50% definiram como Normal, 25% como Suspeitoe 25% como Patologico
4,76%
8 25% definiram como Normal, 50% como Suspeitoe 25% como Patologico
4,76%
Tabela 5.1: resultados tabulados da analise visual de CTGs por 4 especialistas.
exames sao selecionados com maior enfase para os casos em que haviam alteracoes
significativas da FCF. Daı a existencia de poucos exames classificados como normais.
Os resultados apresentados corroboram a necessidade do desenvolvimento de sis-
temas computacionais para auxılio ao diagnostico medico para aumentar a precisao
na analise de cardiotocografias.
5.2 Resultados do SISCTG
O SISCTG e testado com o uso de duas bases de dados. A primeira consiste nos
mesmos 21 exames da pesquisa qualitativa, realizada na MEAC, ja descrita. Neste
caso, sao consideradas as opinioes de 4 especialistas para cada CTG avaliada. A
segunda base de dados e fornecida e rotulada pela empresa Trium, consistindo em
159 CTGs com as informacoes sobre os parametros, porem sem classificacao de di-
agnostico. Deste universo, 59 CTGs sao selecionadas aleatoriamente para testes e
modelagem do sistema de inferencia. As outras 100 CTGs sao utilizadas para teste
Capıtulo 5: Resultados 63
de validacao do SISCTG, considerando, neste caso, apenas 1 especialista para gerar
suas classificacoes de referencia.
5.2.1 Base de Dados da MEAC
Para analise do primeiro caso, os resultados apresentados na Tabela 5.1 servem como
referencia para validacao dos dados. Conforme definido com a equipe medica en-
volvida na modelagem do sistema, neste caso, e considerado que se uma classificacao
possui um percentual superior ao das outras duas, aquela representa a classificacao
adequada para o exame. Para o caso de divisao de 50% entre duas opinioes, pondera-
se, a princıpio, pela classificacao mais grave, como forma de prevencao a problemas
na gestacao.
O SISCTG apresenta as seguintes caracterısticas de classificacao:
• classifica corretamente os casos em que ocorreram unanimidade de opinioes,
equivalente a 28,56% do total, ıtens 1 e 2 da Tabela 5.1;
• para as classificacoes baseadas na maioria das opinioes, o SISCTG errou na
classificacao de apenas uma entrada, referente ao item 8 da Tabela 5.1, classifi-
cando corretamente todas as outras, referentes aos ıtens 3, 4 e 7, o que equivale
a 28,57% do total;
• o sistema classifica corretamente em 75% dos casos em que houve opcao pela
classificacao mais grave, o que e equivalente a 28,57% do total, ıtens 5 e 6 da
Tabela 5.1.
Conclui-se que, para esta base de dados, o SISCTG classifica corretamente 85,71%
dos casos.
5.2.2 Base de Dados da Trium
No segundo caso, sao avaliadas 100 CTGs da empresa Trium, disponıveis como parte
do acordo firmado no projeto de pesquisa (maiores detalhes no Apendice A). Estas
Capıtulo 5: Resultados 64
cardiotocografias estao com os parametros detectados, mas nao possuem classificacao
de diagnostico. Para a classificacao destes exames, e utilizado um especialista vincu-
lado a empresa Trium.
A validacao desta base trabalha com dois modelos de classificacao dos exames.
No primeiro, o especialista classifica todas as CTGs como “Normal”, “Subnormal” e
“Patologica”, resultando em 49 exames classificados como normais, 18 exames como
subnormais e 33 exames classificados como patologicos.
Em um segundo modelo de classificacao, o especialista pode ponderar com per-
centuais entre as tres opcoes de classificacao. Neste caso, em comparacao com o
criterio anterior, sao determinados 9 exames com classificacoes ponderadas pelo es-
pecialista. Deste total, 6 sao definidos com 50% de possibilidade de ser normal e
50% de ser subnormal, sendo 3 antes definidos como normais e 3 como subnormais.
Finalmente, mais 3 exames, sendo 2 anteriormente classificados como subnormais e 1
como patologico, sao definidos com 50% de possibilidade de ser subnormal e 50% de
ser patologico.
Em seguida, o SISCTG analisa os dois tipos de classificacoes fornecidas pelo es-
pecialista para classificar os mesmos 100 exames.
No caso em que o especialista define a classificacao deterministicamente como uma
das tres opcoes possıveis, o sistema tem um bom desempenho e classifica corretamente
88% dos exames.
Conforme definido com a equipe medica envolvida na modelagem do sistema, no
caso em que o especialista define percentuais entre as tres classificacoes, assumiu-se
que se uma classificacao possui um percentual superior ao das outras duas, aquela
representa a classificacao adequada para o exame. Para o caso de divisao de 50% entre
duas classificacoes, escolhe-se a classificacao mais grave, como forma de prevencao a
problemas na gestacao. O desempenho do sistema e ainda superior, classificando
corretamente 93% dos exames. Isto se da pelo fato de ser utilizada uma base de
modelagem do sistema composta por 59 exames com significativa diversidade de tipos,
permitindo o refinamento das regras de acordo com o padrao de classificacao desejado.
Capıtulo 5: Resultados 65
Para cada caso, e montada uma matriz de confusao do SISCTG com o intuito de
apresentar os percentuais relativos de acertos e erros do sistema. Na Tabela 5.2 estao
os percentuais obtidos com a classificacao determinıstica do especialista. Calculando-
se a media dos elementos da diagonal principal da matriz, encontra-se o percentual
de 87,3531%, que corresponde a um valor aproximado do total de acertos do sistema.
Classificado como:Diagnostico Normal (%) Subnormal (%) Patologico (%)Normal 93,8775 6,1224 0Subnormal 5,5555 83,3333 1,1111Patologico 0 15,1515 84,8484
Tabela 5.2: matriz de confusao resultante da analise pelo SISCTG de 100 examesclassificados deterministicamente.
Na Tabela 5.3 estao os percentuais obtidos com a classificacao ponderada pelo
especialista, que e o segundo criterio descrito anteriormente. Calculando-se a media
dos elementos da diagonal principal da matriz, encontra-se o percentual de 92,6817%,
que corresponde a um valor aproximado do total de acertos do sistema.
Classificado como:Diagnostico Normal (%) Subnormal (%) Patologico (%)Normal 100 0 0Subnormal 0 89,4736 10,5263Patologico 0 11,4285 88,5714
Tabela 5.3: matriz de confusao resultante da analise pelo SISCTG de 100 examesclassificados com ponderacoes pelo especialista.
E possıvel verificar pelas duas matrizes apresentadas, que a utilizacao de valores
ponderados melhora a performance do sistema a partir do momento em que o espe-
cialista considera como indeterminados (com margem de 50% para duas classificacoes
distintas), alguns exames que anteriormente estavam classificados erroneamente pelo
Capıtulo 5: Resultados 66
SISCTG. No presente caso, 3 exames classificados anteriormente pelo especialista
como normais e erroneamente classificados pelo SISCTG como subnormais foram
considerados, no segundo criterio, como indeterminados (50% de possibilidade de
serem normais e 50% de serem subnormais) pelo especialista. Da mesma forma, 2
exames anteriormente classificados como subnormais pelo especialista e patologicos
pelo SISCTG, passam a ser considerados indeterminados (50% de possibilidade de
serem subnormais e 50% de serem patologicos) pelo especialista.
A ocorrencia de falsos negativos, isto e, classificar um exame patologico como
normal ou subnormal ou ainda classificar um exame subnormal como normal, e um
importante parametro para a analise de CTGs. Na Tabela 5.3, por exemplo, aprox-
imadamente 11% dos casos patologicos foram classificados como subnormais. No
entanto, devido a natureza de baixa especificidade de uma CTG, a indicacao de es-
tado subnormal ja leva a um acompanhamento mais detalhado do feto. Portanto, o
mais grave seria classificar alguma possıvel alteracao como normal.
Enfase deve ser dada para os resultados bastante significativos e satisfatorios do
sistema, de acordo com a equipe da MEAC, que sao a deteccao de 100% dos exames
normais como “Normal”, assim como tambem a inexistencia de exames subnormais
ou patologicos classificados como normais.
5.3 Conclusao
O sistema SISCTG apresenta promissores resultados na avaliacao de CTGs computa-
dorizadas na MEAC, com resultados de 85,71% de classificacoes corretas em uma base
de dados e um valor maximo de 93% na classificacao correta em outra base de dados.
Alguns aspectos de padronizacao do sistema ainda devem ser considerados para sua
adocao em nıvel internacional, como modulo adicional ao software “CTGOnLine” da
empresa Trium, uma vez que o padrao seguido pela MEAC, e adotado pelo SISCTG,
difere em alguns aspectos em relacao a padronizacao definida pela FIGO e adotada
pelo “CTGOnLine”.
Capıtulo 5: Resultados 67
Dentro do objetivo de atender a comunidade medica da MEAC e melhorar o
atendimento a populacao atendida por esta instituicao, o sistema atingiu seu intuito.
A equipe medica esta apta, apos treinamento, a operar o sistema, restando definir
como pode ser feito o treinamento, na operacao do sistema, para futuros grupos de
profissionais da instituicao.
Capıtulo 6
Conclusoes, Contribuicoes e
Trabalhos Futuros
A forte subjetividade existente na analise de exames cardiotocograficos, torna-os
propıcios para o desenvolvimento de sistemas computacionais para auxılio ao diagnos-
tico medico. Levando-se em conta a natureza linguıstica das variaveis envolvidas em
uma CTG, a logica fuzzy pode ser usada como alternativa viavel de implementacao.
O programa desenvolvido no projeto SISCTG auxilia o diagnostico sobre o estado
fetal, consistindo em um sistema hıbrido com um conjunto de regras determinısticas
integrado a um sistema de inferencia fuzzy. A saıda do sistema classifica o estado
fetal como normal, subnormal ou patologico.
6.1 Contribuicoes do SISCTG
Uma importante contribuicao do SISCTG confirma o alto grau de discordancia en-
tre diversos especialistas na analise visual dos tracados em uma unica CTG, princi-
palmente na ocorrencia de alteracoes significativas no exame, como a existencia de
diversas desaceleracoes, movimentacao fetal, dentre outras.
Com os bons resultados obtidos pelo SISCTG nas diversas pesquisas realizadas,
pode-se concluir que o uso deste sistema e eficiente no auxılio ao diagnostico medico de
68
Capıtulo 6: Conclusoes, Contribuicoes e Trabalhos Futuros 69
cardiotocografias para determinacao do estado fetal, constituindo-se como principal
contribuicao deste trabalho.
O projeto SISCTG contribui tambem com a publicacao de um artigo no X Con-
gresso Brasileiro de Informatica em Saude - CBIS, intitulado “Sistema de Inferencia
Fuzzy para Analise da Frequencia Cardıaca Fetal em Exames Cardiotocograficos”,
sistema este que leva em consideracao somente duas variaveis nebulosas, a FCF basal
e a LTV, para classificacao de CTGs [28].
Gracas a qualidade das informacoes apresentadas na saıda do sistema, o SISCTG
tambem pode ser utilizado como ferramenta de suporte ao ensino de medicos resi-
dentes e estudantes da MEAC.
6.2 Trabalhos Futuros
Uma implementacao futura para o sistema pode ser a classificacao dos exames fazendo
o uso de janelas de tempo fixo ou variavel, ou seja, em uma CTG de 30 minutos, o
sistema de inferencia nebuloso pode ser aplicado com o uso de tres janelas de 10
minutos, gerando tres diferentes diagnosticos e considerando como resultado uma
ponderacao destes tres valores. O problema desta abordagem esta no metodo de
validacao do resultado, podendo ser criada uma nova pesquisa com o especialista
analisando as tres janelas ou apenas levar em consideracao somente uma classificacao
final do especialista.
Como extensao do SISCTG, ja encontra-se em andamento o projeto de expansao
da parceria com a empresa Trium, com a utilizacao de seu sistema de coleta remota
de cardiotografias, denominado “CTG-Mobile”. Um cardiotocografo pode ser levado
para a execucao de exames em locais sem a presenca de equipes medicas, e interligado
a um software instalado em um equipamento do tipo PocketPC, o qual envia os dados
coletados atraves de rede celular com suporte a GPRS para um servidor de internet
com o sistema “CTGOnLine”, localizado em Munique, na Alemanha.
Neste projeto ainda sera definido como serao acessados os dados coletados. A
Capıtulo 6: Conclusoes, Contribuicoes e Trabalhos Futuros 70
primeira forma sera com a utilizacao de um usuario e senha no sistema de CTG
computadorizada da propria Trium. A segunda maneira podera ser com o envio
dos dados coletados em formato proprio para ser importado para o “CTGOnLine”
instalado na MEAC.
Outras abordagens podem ser utilizadas para se analisar computacionalmente as
cardiotocografias. Aspectos de deteccao de caracterısticas dos exames podem ser
pesquisados com a analise da entropia aproximada da FCF e das variabilidades LTV
e STV. Em outra vertente, uma pesquisa utilizando wavelets para analise no domınio
da frequencia da FCF e a deteccao e classificacao de aceleracoes e desaceleracoes
A implementacao de redes neurais artificiais (RNAs) para o auxılio ao diagnostico
tambem deve ser considerada como um possıvel trabalho futuro. Este tipo de abor-
dagem pode ser utilizada tanto para a determinacao do estado fetal de uma maneira
geral, quanto para um detalhamento da patologia presente, se for o caso.
Finalmente, um importante trabalho futuro e a investigacao sobre a existencia
de correlacionamento entre aspectos maternos e fetais, com foco na analise da vari-
abilidade cardıaca e da entropia aproximada da variabilidade cardıaca de ambos. A
analise da variabilidade da frequencia cardıaca (VFC) materna e verificada no exame
de Holter e a fetal, pela CTG.
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Apendice A
O Projeto SISCTG
A Maternidade Escola Assis Chateaubreand - MEAC - e uma instituicao vinculada
a Universidade Federal do Ceara que atende a comunidade em geral, com enfase no
atendimento pelo SUS - Sistema Unico de Saude, o que caracteriza seu publico como
de baixa renda e com pouco acesso a informacao.
A MEAC conta em sua equipe com professores, medicos, residentes, estudantes
internos, enfermeiras e auxiliares para atender uma demanda de trinta partos por dia,
em media, contando com diversos leitos de enfermaria e salas de parto, alem de uma
Unidade de Terapia Intensiva (UTI) neonatal.
A cardiotocografia e um exame muito utilizado na MEAC como apoio a decisao
medica na analise do bem-estar fetal em gravidez de risco. Para isto, a Maternidade
conta com um conjunto de equipamentos cardiotocograficos dos mais variados fabri-
cantes e com caracterısticas distintas distribuıdos no ambulatorio, nas salas de parto
e na UTI neonatal.
Ate o inıcio do projeto SISCTG, nao existia nenhum sistema de analise computa-
dorizada de exames cardiotocograficos na instituicao, nem previsao orcamentaria de
aquisicao de um sistema desta natureza, dado o alto custo das solucoes existentes.
Alem disso, nao existe sequer um sistema informatizado de registro de exames para
analise historica dos pacientes.
78
Apendice A: O Projeto SISCTG 79
A.1 Historico do Projeto
No ano de 2002 sao iniciados os contatos junto a MEAC-UFC para a criacao de uma
parceria cientıfica-tecnologica entre alguns membros de sua equipe medica e o entao
Departamento de Engenharia Eletrica da UFC.
O primeiro passo realizado e o mapeamento de possıveis pesquisas, detectando-se
a possibilidade de trabalhos em varias areas, desde a analise de exames em fetos ate
mesmo a criacao de sistemas integrados para a busca de correlacoes entre alteracoes
na saude das maes e dos fetos.
Nesta fase inicial, destaca-se uma demanda no desenvolvimento de um sistema
para analise computadorizada de cardiotocografias. O objetivo e enviar os dados
dos exames para um computador para armazenamento dos dados e analise automati-
zada, uma vez que a as cardiotocografias realizadas sao impressas em uma impressora
termica, nao possuindo identificacao da paciente e com uma pobre qualidade da im-
pressao, tendendo a se deteriorar com o tempo.
No entanto, uma dificuldade encontrada e a inexistencia na MEAC de cardiotoco-
grafos com interfaceamento de comunicacao externa, ou seja, os equipamentos exis-
tentes sao projetados para funcionar de maneira isolada ou off-line, nao permitindo o
envio dos dados obtidos nos exames para um microcomputador ou mesmo para algum
dispositivo de coleta de dados. A Figura A.1 mostra um cardiotocografo existente
existente na MEAC e ainda utilizado ate hoje.
E importante ressaltar que o exame denominado cardiotocografia computadorizada
ja existe e e amplamente utilizado no mundo inteiro, consistindo na utilizacao de soft-
wares projetados para coletar os dados adquiridos por cardiotocografos e deles gerar
determinados nıveis de interpretacao dos sinais, facilitando a deteccao de patologias
fetais.
Durante o ano de 2005 sao adquiridos pelo Ministerio da Saude e enviados para
a MEAC seis cardiotocografos modelo FETALGARD Lite, fabricados pela empresa
norte-americana ANALOGIC CORPORATION e distribuıdos, no Brasil, quando da
compra, pela empresa DIXTAL Biomedica. Estes equipamentos possuem interfaces
Apendice A: O Projeto SISCTG 80
Figura A.1: Cardiotocografo existente na MEAC no inıcio do projeto. Sem interfacede comunicacao.
seriais padrao RS-232 para comunicacao com microcomputadores, com o objetivo de
enviar os dados coletados nos exames de cardiotocografia. Com estes novos equipa-
mentos, o projeto entre a MEAC e o atual Departamento de Engenharia de Telein-
formatica (DETI) e entao remodelado.
Inicialmente, sao realizados contatos com o fabricante do equipamento nos Esta-
dos Unidos e com o seu representante no Brasil, quando se toma conhecimento que
o proprio fabricante possui um software chamado “Fetalgard Light VIEWER” para
coleta e visualizacao dos exames em um microcomputador IBM-PC. Este software,
no entanto, e simplesmente um visualizador e nao realiza nenhum tipo de analise
no sinal coletado. Alem disso, o banco de dados e criptografado, nao permitindo a
analise dos sinais sem um acordo comercial com o fabricante. Neste contato, o proprio
fabricante indica a empresa “Trium Analysis Online GmbH ” na Alemanha que de-
senvolve o “CTGOnline”, um sistema para analise e diagnostico de cardiotocografias
que possui o selo da Comunidade Europeia “CE Mark”, um atestado de qualidade e
de conformidade do sistema para uso com equipamentos medicos.
Atraves do contato com a empresa Trium, e estabelecida uma parceria de pesquisa
conjunta Brasil-Alemanha.
Apendice A: O Projeto SISCTG 81
A.2 A parceria Brasil-Alemanha
A Trium e uma empresa sediada em Munique, na Alemanha, que desenvolve softwares
para analise computadorizada de exames medicos. Dentre eles, esta o sistema denom-
inado “CTGOnline”, utilizado para auxılio ao diagnostico medico da area Obstetrica,
avaliando a Frequencia Cardıaca Fetal e as Contracoes Uterinas maternas.
Em outubro de 2005, o primeiro contato com a Trium e estabelecido, dando inıcio
as negociacoes de parceria que resultam em um acordo de cooperacao e pesquisa assi-
nado pela Trium e pela MEAC/DETI/UFC em Fevereiro de 2006. Tal acordo permite
que a MEAC utilize, sem nenhum onus, uma licenca do sistema “CTGOnline” para
o monitoramento computadorizado de seis cardiotocografos instalados nos diversos
setores da Instituicao. O valor de tal licenca, na epoca da assinatura do acordo, era
de 24.000 (vinte e quatro mil) euros, aproximadamente R$ 72.000,00 (setenta e dois
mil reais).
O projeto previsto no acordo esta dividido em sete principais atividades, definidas
da seguinte forma:
1. traducao do software “CTGOnline” para o idioma Portugues do Brasil.
2. instalacao do sistema “CTGOnline” na MEAC/UFC.
3. pesquisa sobre as solucoes ja existentes.
4. aquisicao de dados no Brasil.
5. desenvolvimento de novas implementacoes e algoritmos.
6. testes e otimizacao.
7. validacao.
O projeto tambem contempla o intercambio de estudantes pesquisadores, com a
vinda de uma estudante de Mestrado da Universidade de Munique e que trabalha na
Trium no perıodo de Julho a Outubro de 2006, e a ida de um estudante brasileiro
para Munique no ano de 2007.
Apendice A: O Projeto SISCTG 82
A.3 Implantacao do CTGOnline na MEAC
No perıodo de Junho a Agosto de 2006 e realizada a instalacao do sistema “CT-
GOnline” na MEAC. Diversos problemas sao superados, desde a inexistencia de um
computador para monitoramento dos cardiotocografos, ate a falta de cabeamento
para comunicacao entre os dispositivos e o referido computador.
Finalmente, em Setembro de 2006, e realizado o primeiro exame de cardiotocografia
computadorizada da MEAC/UFC. Inicialmente, o sistema esta monitorando os dois
cardiotocografos existentes na Enfermaria, devendo ser instalado tambem na UTI
neonatal da Instituicao.
Vale ressaltar que na MEAC, tanto por motivos de infra-estrutura fısica quanto
pela reduzida equipe proporcionalmente ao numero de pacientes atendidos, sao real-
izados exames de cardiotocografia apenas em pacientes com diagnostico de gravidez
de risco. Por outro lado, na Alemanha o exame e realizado em todas as gestantes,
como parte do acompanhamento do bem-estar fetal na gravidez.
O sistema traz muitos benefıcios para a Maternidade, dentre os quais podem ser
citados:
• monitoramento computadorizado dos exames cardiotocograficos.
• acesso remoto aos exames de qualquer parte da MEAC ou mesmo de fora dela.
• criacao de uma base digital de exames realizados, substituindo o armazenamento
das cardiotocografias realizadas em papel e com uma identificacao manual do
paciente.
• criacao de uma ferramenta (SISCTG) de apoio ao ensino aos medicos obstetras
residentes da MEAC.
Apendice B
Introducao a Logica Nebulosa
A logica nebulosa, tambem denominada fuzzy ou difusa, e uma ampliacao dos con-
ceitos estabelecidos na Logica Aristotelica ou logica bivalente. Enquanto nesta ultima
sao reconhecidos apenas dois valores para uma determinada classificacao, ou seja, ver-
dadeiro ou falso, pertence ou nao pertence, sim ou nao, naquela e criada uma nova
nocao conhecida como nıvel de pertinencia de uma determinada grandeza, fazendo
com que ela possa pertencer parcialmente a mais de uma classificacao ou conjunto.
Lofti Zadeh [55], no ano de 1965, lancou as bases desta nova logica, com uma abor-
dagem que visa aproximar-se da nocao de classificacao ou valoracao que os seres
humanos utilizam em seu raciocınio.
B.1 Pensamento Nebuloso
Aristoteles foi um grande pensador da historia humana que viveu no perıodo de 384
a 322 AC. Foi aluno e seguidor de Platao, que por sua vez foi discıpulo de Socrates.
Atraves da evolucao do pensamento da escola filosofica grega, pode ser acompanhada
a evolucao do pensamento humano ocidental na busca de explicacoes sobre a natureza
do homem e do ambiente que o cerca. Esta busca culminou na criacao por parte de
Aristoteles de uma logica denominada bivalente que se baseava em uma classificacao
unica para tudo o que existisse na natureza. Nesta logica, cada coisa pertence ou nao
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Apendice B: Introducao a Logica Nebulosa 84
pertence completamente a uma classe.
Outro aspecto importante e que Aristoteles era proveniente de uma famılia ligada
a medicina, uma area de estudo intrinsecamente observatoria a epoca que buscava
explicacoes fisiologicas e na natureza para se firmar como ciencia. Neste ponto, tam-
bem pode ser ressaltada a necessidade buscada por Aristoteles em se classificar tudo
de uma maneira determinıstica e unica. Ou se e, ou nao.
Esta forma de pensar ganhou o nome de Logica Aristotelica e se baseia em se
dividir tudo em classes muito bem definidas, com todas as coisas pertencendo com-
pletamente ou nao a uma determinada classe. E a nocao do ser ou nao ser, do um
ou zero, do sim ou nao. Este pensamento moldou a forma de pensamento ocidental
durante seculos.
Contudo, sempre que um ser humano e convocado a realizar classificacoes dos
mais variados parametros, e comum fazer uso de expressoes como “mais ou menos”,
“demais”, “muito pouco”, dentre outras. A Logica Nebulosa e uma teoria logica-
matematica que expande o modelo bivalente tradicional e busca modelar matematica-
mente a forma de raciocınio humana, isto e, traz a caracterıstica difusa do pensamento
humano para um conjunto de expressoes matematicas ou computacionais.
Bart Kosko [24] afirma que o mundo e “cinza”, e nao “preto e branco”. Esta
metafora busca levar a reflexao que grande parte das classificacoes realizadas e, con-
sequentemente, das decisoes tomadas usualmente nao sao bivalentes mas sempre estao
contidas em uma escala gradual de classificacao.
Esta linha de pensamento nao e uma novidade filosofica. O Buda, um dos grandes
mestres da cultura oriental, afirma diversas vezes em seus ensinamentos, que o modo
de raciocınio humano e nebuloso e nao determinıstico. Ele afirmou certa vez que:
Eu nao expliquei que o mundo e eterno ou nao eterno. Eu nao expliquei
que o mundo e finito ou infinito”.
Uma declaracao de que, sob seu ponto de vista, o pensamento humano e fuzzy
e nao binario. Com isso, fica claro que a criacao da logica Aristotelica envolve nao
somente aspectos matematicos e logicos, mas tambem historicos e filosoficos.
Apendice B: Introducao a Logica Nebulosa 85
Como exemplo, tem-se que a logica das linguagens de programacao e completa-
mente bivalente, ou seja, valores polarizados como 0 ou 1, sim ou nao, sao utilizados
para representar o conhecimento. Agora imagine um computador que, ao ser per-
guntado sobre um determinado assunto, por exemplo, a velocidade de rotacao de um
cooler, respondesse “estou mais ou menos lento”, ou “estou com pouquıssima veloci-
dade”. Nao estaria muito mais proximo da forma como uma pessoa responderia?
B.1.1 Imprecisao x Incerteza
Dois conceitos podem ser comparados para que se compreenda melhor onde a teoria
da logica nebulosa expande a teoria da logica tradicional: precisao e certeza.
Precisao e certeza sao duas coisas intrinsecamente ligadas mas de natureza oposta.
Quanto mais preciso se e, maior a probabilidade de se estar errado ou incerto. Quanto
mais certo se esta, mais imprecisa a informacao pode ser.
Por exemplo, quando se diz que Lofti Zadeh lancou as bases para a criacao da logica
nebulosa no seculo passado, esta informacao temporal e extremamente imprecisa mas
completamente certa. Na medida em que se deseja aumentar a precisao, informando
a decada, o ano ou mesmo o mes em que ele o fez, esta se aumentando a precisao mas
a possibilidade de incerteza aumenta.
A teoria de conjuntos e a teoria das probabilidades sao as bases classicas mais
utilizadas para tratar desses nıveis de incerteza e imprecisao tao caracterısticos dos
problemas comuns com que o homem se depara. Entretanto, existem conteudos infor-
macionais que nao sao captados pela nocao bivalente da teoria dos conjuntos nem pela
nocao frequentista da teoria probabilıstica. Sao os conteudos difusos do pensamento
humano.
A teoria da logica nebulosa ou teoria dos conjuntos nebulosos abrange esta vacuidade
de informacoes que as teorias tradicionais ou classicas nao conseguem captar. E a par-
tir da modelagem que se inicia o tratamento de um problema nebuloso.
Apendice B: Introducao a Logica Nebulosa 86
B.2 Caracterizacao de um Problema Nebuloso
Ao iniciar uma analise de problemas comuns sob a luz da logica nebulosa, ve-se que
sua aplicacao e intrinsecamente realizada pelos seres humanos e nao e contemplada
caso seja utilizada a logica aristotelica tradicional.
Normalmente o pensamento humano cria uma escala de valoracao para suas clas-
sificacoes. Raramente ve-se alguem respondendo alguma coisa com precisao e certeza
simultaneamente. Este comportamento e mais encontrado em computadores que pen-
sam atraves da logica bivalente. O pensamento nebuloso esta presente no dia-a-dia.
Para compreender melhor esta abordagem, tome-se como exemplo a caracteriza-
cao de uma populacao de fumantes e nao fumantes em uma comunidade. Pela logica
aristotelica, caso uma pessoa ingerisse apenas um cigarro por dia deveria ja ser clas-
sificada como fumante. Nao existe nenhum grau de transicao entre “ser fumante” e
“ser nao fumante”.
Mesmo transformando esta classificacao em um padrao menos rıgido, alterando-se
o limite inicial para uma pessoa ser considerada fumante somente caso ingerisse dez
cigarros ou mais por dia, a logica tradicional leva a classificar uma pessoa que fuma
nove cigarros igualmente aquela que fuma apenas um cigarro diariamente.
Abordar o problema pela teoria dos conjuntos tradicional possibilita mostrar grafi-
camente o pensamento da logica aristotelica, conforme pode ser visto na Figura B.1.
Existe o conjunto de fumantes e o de nao fumantes mutuamente excludentes, ou seja,
se o indivıduo pertence a um, automaticamente e considerado que nao pertence ao
outro.
Modelando este mesmo problema pela logica nebulosa, o primeiro passo seria criar
os nıveis de classificacao para o que e “ser fumante”. Podem, por exemplo, ser criados
cinco grupos de fumantes de acordo com a quantidade do consumo de cigarros por
dia. Este modelo poderia ser modelado com as classificacoes:
• Baixıssimo Consumo - 0 a 2 cigarros por dia
• Baixo Consumo - 1 a 5 cigarros por dia
Apendice B: Introducao a Logica Nebulosa 87
Figura B.1: Dado o Universo U, seja o conjunto A representando os fumantes e B osnao fumantes.
• Medio Consumo - 4 a 12 cigarros por dia
• Alto Consumo - 8 a 18 cigarros por dia
• Altıssimo Consumo - mais que 15 cigarros por dia
Um aspecto importante que pode ser visto nesta classificacao e que alem da criacao
dos diversos nıveis, sao criadas zonas de intersecao nas classificacoes, criando uma
especie de transicao entre elas.
Uma representacao grafica destas classificacoes com suas respectivas intersecoes
pode ser vista na Figura B.2.
Cada classificacao de fumante neste caso gera um conjunto denominado de con-
junto nebuloso. Conforme estabelecido anteriormente, os nıveis sao criados com zonas
de intersecao com seus vizinhos imediatos, havendo momentos em que um valor pode
possuir duas classificacoes. Analisando-se ainda a Figura B.2, pode-se constatar que
uma pessoa que fuma dez cigarros por dia pode ser classificada como pertencente par-
cialmente ao grupo de fumantes classificados como de Medio Consumo, assim como
tambem parcialmente ao grupo de Alto Consumo.
Um segundo exemplo que pode melhorar a compreensao destes conceitos intro-
dutorios pode ser o da classificacao de uma gestante como hipertensa. Neste caso,
para fazer uma analise bivalente ou tradicional, seria necessario determinar um valor
de referencia de pressao arterial diastolica e sistolica, para que, partindo deste valor,
se pudesse classificar uma gestante como hipertensa ou nao.
Apendice B: Introducao a Logica Nebulosa 88
Figura B.2: Representacao grafica da populacao de fumantes
Fazendo uma modelagem baseada na logica nebulosa ou Fuzzy, podem ser traca-
dos nıveis de hipertensao, criando-se tambem intersecoes entre os nıveis classificados,
permitindo representar numericamente o sentimento linguıstico de expressoes como
“Pressao alta”, “Pressao muito alta”, “Pressao muito baixa”, “pressao baixa”, etc, para
o nıvel em que se encontra a paciente no momento da medicao.
Com estes exemplos, pode-se compreender matematicamente um problema nebu-
loso atraves da analise da teoria de conjuntos nebulosos, apresentada a seguir.
B.3 Teoria dos Conjuntos Nebulosos
A Teoria dos Conjuntos Nebulosos e a fundamentacao para o tratamento matematico
de sistemas fuzzy. Enquanto na teoria dos conjuntos CRISP e estabelecida a nocao
Apendice B: Introducao a Logica Nebulosa 89
de que um elemento somente pertence ao conjunto “A” ou ao seu complemento, o
conjunto “Nao A”, na teoria dos conjuntos nebulosos, um mesmo elemento pode per-
tencer tanto a “A” quanto a “Nao A”, de acordo com uma grandeza denominada grau
de pertinencia.
Analisando-se matematicamente a teoria de conjuntos tradicionais ou CRISP,
pode-se representar a funcao caracterıstica de um elemento X no universo U como
A : X[0, 1], onde:
A(X) = 1; se e somente se X ∈ A
A(X) = 0; se e somente se X /∈ A
Ja um conjunto nebuloso A do universo de discurso U e definido por uma funcao
de pertinencia µA(x) : U [0,1]. Esta funcao associa cada elemento x de U a um valor
de A(x), que represente o nıvel em que x pertence a A. Caso:
µA(x) = 1; x pertence completamente a A
0 < µA(x) < 1; x pertence parcialmente a A
µA(x) = 0; x nao pertence a A
Estas duas definicoes, apesar de a princıpio parecerem completamente distintas
sao na verdade complementares, uma vez que e possıvel verificar que a definicao de
conjunto nebuloso e uma generalizacao da teoria dos conjuntos CRISP para o caso
em que a pertinencia µA(x) assume apenas os valores 0 ou 1. Em outras palavras,
a teoria dos conjuntos CRISP pode ser considerada um caso particular da teoria dos
conjuntos nebulosos.
Para uma perfeita compreensao dos conjuntos fuzzy, o conceito de funcao de per-
tinencia e fundamental, por isso na proxima secao sera realizada uma discussao mais
detalhada sobre o assunto.
Apendice B: Introducao a Logica Nebulosa 90
B.4 Funcoes de Pertinencia
E atraves das funcoes de pertinencia que o conceito de informacao difusa ou nebulosa
e extraıdo de um sistema. A funcao de pertinencia µA(X) representa um valor do
conjunto nebuloso “A” para o caso em que a variavel linguıstica assume o valor “X”.
A partir das definicoes anteriores, pode-se afirmar que a funcao de pertinencia pode
ser definida como uma expressao do nıvel de compatibilidade entre X e o conjunto A,
onde 0 quer dizer que X e nao compatıvel com A e 1, seu valor maximo, significa que
X e completamente compatıvel com A.
A nocao de compatibilidade (ao inves da nocao de estar contido ou nao estar
contido) torna mais simples de se compreender o conceito de pertinencia. Pode-
se, assim, dizer que um elemento e parcialmente compatıvel com um ou com outro
conjunto nebuloso.
A Figura B.3 mostra mais um exemplo de variavel linguıstica: “Temperatura
Ambiente”. Da mesma forma que o conjunto da populacao de fumantes apresentado
anteriormente, esta variavel tambem sera representada por cinco conjuntos nebulosos,
que sao: [Baixıssima, Baixa, Media, Alta, Altıssima].
Tomando-se, por exemplo, a temperatura de 14 graus, ve-se que podem ser de-
terminados dois valores de pertinencia distintos para esta mesma temperatura, sendo
um para o conjunto de temperaturas baixas e outro para o conjunto de temperaturas
medias.
µTEMPERATURAS BAIXAS(14 graus) = 0, 25;
µTEMPERATURAS MEDIAS(14 graus) = 0, 50;
Isto quer dizer que este valor de temperatura carrega em si informacoes tanto como
uma baixa temperatura quanto como uma temperatura media. A pertinencia indicara
o grau de compatibilidade do valor com cada um dos nıveis. Neste exemplo, 14 graus
e mais compatıvel com o conceito de temperatura baixa, com uma pertinencia de
0,50, do que com o de temperatura normal, com uma pertinencia de 0,25.
Apendice B: Introducao a Logica Nebulosa 91
Figura B.3: Conjuntos Fuzzy para a variavel Temperatura Ambiente.
Analisando-se ainda a Figura B.3, ve-se que as funcoes de pertinencia representam
todos os valores que uma pertinencia pode assumir para um determinado conjunto
nebuloso, variando no intervalo de 0 a 1.
Neste exemplo, os cinco conjuntos foram representados por funcoes triangulares,
tendo cada conjunto nebuloso apenas um valor com pertinencia maxima:
µTEMPERATURAS BAIXISSIMAS(0 graus) = 1;
µTEMPERATURAS BAIXAS(10 graus) = 1;
µTEMPERATURAS MEDIAS(20 graus) = 1;
µTEMPERATURAS ALTAS(30 graus) = 1;
µTEMPERATURAS ALT ISSIMAS(40 graus) = 1;
Apendice B: Introducao a Logica Nebulosa 92
No entanto, as funcoes de pertinencia podem assumir nao somente formas tri-
angulares como as apresentadas ate o momento, mas tambem formas trapezoidais
ou gaussianas. A escolha do tipo de funcao adequada para cada conjunto depende
intrinsecamente do problema avaliado.
As Figuras B.4 e B.5 apresentam dois exemplos de funcoes de pertinencia com
formas diversas que podem ser utilizadas para representar variaveis linguısticas.
Figura B.4: Conjuntos nebulosos representados por funcoes de pertinencia trape-zoidais.
Figura B.5: Conjuntos nebulosos representados por funcoes de pertinencia gaussianas.
Compreendido o conceito de conjuntos nebulosos e as funcoes de pertinencia que
os representam, na proxima secao serao definidas as operacoes basicas sobre estes
conjuntos definidas pela teoria da Logica Nebulosa.
Apendice B: Introducao a Logica Nebulosa 93
B.5 Operacoes sobre Conjuntos Nebulosos
A teoria original dos conjuntos fuzzy foi formulada com base na definicao de tres
operacoes especıficas:
Complemento:
µA′(X) = 1− µA(X);
Uniao:
µA∪B(X) = max[µA, µB];
Intersecao:
µA∩B(X) = min[µA, µB];
Deve-se perceber que, para o caso em que as funcoes de pertinencia estao limitadas
aos valores {0,1}, os operadores adequam-se perfeitamente as operacoes realizadas
nos conjuntos CRISP, tornando mais claro o conceito de generalizacao apresentado
anteriormente.
Com um firme embasamento matematico, diversas aplicacoes utilizando a logica
nebulosa surgem e tornam-se mais populares na medida em que sua aplicacao e bem
sucedida. A seguir estao apresentadas diversas aplicacoes e suas principais caracterıs-
ticas.
B.6 Exemplo de Sistema de Inferencia Nebuloso
Uma analise grafica da implementacao de um sistema de inferencia fuzzy pode en-
riquecer o entendimento de seu funcionamento.
Seja um sistema de inferencia fuzzy baseado no modelo de Mamdani com duas
variaveis de entrada, A e B e uma variavel de saıda, C. As variaveis, suas funcoes de
pertinencia e o conjunto de regras de inferencia estao definidos a seguir.
Apendice B: Introducao a Logica Nebulosa 94
Variavel de entrada A - Variavel fuzzy com cinco conjuntos nebulosos, todos com
funcao de pertinencia do tipo triangular, com os intervalos definidos de acordo com
a Figura B.6.
Figura B.6: Variavel de Entrada A, com valores definidos no intervalo de 0 a 100
Variavel de entrada B - Variavel fuzzy com tres conjuntos nebulosos, todos com
funcao de pertinencia do tipo trapezoidal, com os intervalos definidos de acordo com
a Figura B.7.
Figura B.7: Variavel de Entrada B, com valores definidos no intervalo de 0 a 200
Variavel de saıda C - Variavel fuzzy com tres conjuntos nebulosos, todos com
Apendice B: Introducao a Logica Nebulosa 95
funcao de pertinencia do tipo triangular, com os intervalos definidos de acordo com
a Figura B.8.
Figura B.8: Variavel de Saıda C, com valores definidos no intervalo de 0 a 50
Com o resultado das regras de inferencias sendo normalmente um conjunto tam-
bem fuzzy, o proximo passo e obter uma saıda real ou escalar do sistema utilizando-se,
se necessario, um desfuzzificador, cujas tecnicas serao abordadas na secao seguinte.
B.6.1 Modulo Desfuzzificador
Por ultimo, o bloco desfuzzificador faz o mapeamento da saıda nebulosa da maquina
de inferencia em um numero real.
Na verdade, existem dois modelos de saıdas para sistemas fuzzy, classificados de
acordo com a necessidade ou nao de se ter um modulo Desfuzzificador.
Sistemas baseados nos modelos de Takagi-Sugeno e o de Tsukamoto possuem
saıdas obtidas por tecnicas de interpolacao, utilizando funcoes matematicas lineares
ou nao lineares, geralmente monotonicas, para apresentar um numero real que ja
representa uma saıda para o sistema. Estes modelos sao muito utilizados na area de
controle industrial [46].
Ja os sistemas baseados no modelo definido inicialmente por Mamdani tem como
saıda tambem um conjunto fuzzy, o que torna necessaria a definicao de uma tecnica de
Apendice B: Introducao a Logica Nebulosa 96
desfuzzificacao, que consiste em ser especificado um ponto no conjunto que represente
a interpretacao em forma de um numero real da saıda do sistema nebuloso.
Varias tecnicas podem ser utilizadas para encontrar este valor de saıda. Dentre
eles podem ser citados: dentro de gravidade, centro ponderado e o valor maximo.
Continuando com o exemplo apresentado, supondo que o mesmo e baseado no
modelo de Mamdani, sejam dois possıveis valores para os conjuntos de entrada A e
B, e um conjunto de regras de inferencia com 5 regras. Para cada regra, um conjunto
nebuloso de saıda sera encontrado, identificados como C1 a C5, conforme pode ser
visto na Figura B.9.
Para o caso em que as variaveis de entrada A e B assumem os valores a seguir:
A = 10 =⇒ pertence aos conjuntos “Pouco” e “Pouquıssimo” da Variavel A;
B = 50 =⇒ pertence aos conjuntos “Baixo” e “Medio” da Variavel B;
A aplicacao dos maximos destes conjuntos resultara em um conjunto C. O metodo
do Centro de Gravidade aplicado a este conjunto, resultara em um valor real para os
valores de entrada do exemplo:
C = 7.94 =⇒ pertencendo aos conjuntos “Normal” e “Atencao” da Variavel C;
B.7 Aplicacoes de Logica Nebulosa
O uso de sistemas baseados em logica nebulosa ja e uma realidade nas mais variadas
areas de aplicacao. Alguns exemplos sao:
• Engenharia de controle [38]
• Reconhecimento de padroes [58]
• Sistemas de tomadas de decisao em ambientes organizacionais [49]
• Engenharia Biomedica [54]
• Visao computacional [56]
Apendice B: Introducao a Logica Nebulosa 97
Figura B.9: Aplicacao do modelo de Mamdani a um conjunto de regras de inferencia.
Com o intuito de mostrar o crescimento nos estudos e na aplicabilidade na logica
por ele delineada, Lofti Zadeh [57], fez um levantamento, ate o final do seculo passado,
do numero de artigos sobre logica nebulosa nas publicacoes INSPEC e Mathematical
Science, que pode ser visto na Tabela B.1.
O aumento significativo das publicacoes e um indicativo de como as pesquisas
envolvendo logica nebulosa estao em ascendencia, podendo-se destacar as areas de
Controle Nebuloso e de Engenharia Biomedica.
B.7.1 Controle Nebuloso
A logica fuzzy busca moldar a experiencia e o comportamento na tomada de decisoes
dos seres humanos. Com isso, a area de Controle de Sistemas tornou-se uma das mais
profıcuas no desenvolvimento de aplicacoes utilizando logica nebulosa.
Em Pedrycz [38] e [39] e Zadeh [56] podem ser encontradas diversas aplicacoes na
area, ressaltando o alto nıvel de aceitabilidade deste tipo de controlador.
Apendice B: Introducao a Logica Nebulosa 98
Revista: INSPEC Tema: Fuzzy1970-1980 5661980-1990 2.3611990-2000 23.753Total: 26.680
Revista: Math.Sci.Net Tema: Fuzzy1970-1980 4531980-1990 2.4761990-2000 8.428Total: 11.357
Revista: INSPEC Tema: Soft Computing1990-2000 1.994
Tabela B.1: Crescimento do numero de publicacoes em Logica Fuzzy.
Zimmermann [58] faz um comparativo entre controladores logicos nebulosos e sis-
temas especialistas, diferenciando as principais caracterısticas de aplicabilidade de
ambos. Como exemplo e descrita a origem dos sistemas fuzzy a partir da area de
Engenharia enquanto a dos sistemas especialistas na area de inteligencia artificial, o
que torna o primeiro, por concepcao, mais apto para trabalhar na area de sistemas
de controle.
B.7.2 Engenharia Biomedica
A area medica e um outro campo de aplicacao muito vasto para a logica nebulosa,
uma vez que diagnosticos medicos envolvem muitos aspectos de imprecisao e incerteza,
dado o grande numero de variaveis envolvidas para a determinacao de cada um deles.
Outros aspectos como a classificacao de uma patologia, a forma como sao ministradas
as terapias medicamentosas, dentre outros, tambem sao caracterısticas que facilmente
se encaixam na classificacao de variaveis nebulosas. Daı o desenvolvimento crescente
de sistemas utilizando a logica fuzzy na area de Engenharia Biomedica.
Na medicina fetal especificamente, tambem estao sendo realizadas pesquisas na
Apendice B: Introducao a Logica Nebulosa 99
area com a utilizacao de logica nebulosa para analise de ultrasonografias com re-
curso de Dopplervelocimetria [17], como ferramenta para a prevencao da ressuscitacao
neonatal [41] ou mesmo para analise de algumas variaveis de exames cardiotocografi-
cos [42].
B.8 Conclusao
A logica nebulosa como uma generalizacao da logica bivalente torna-se uma impor-
tante e poderosa ferramenta para o uso em sistemas computacionais das mais diversas
areas de aplicacao.
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