XXIII Congresso Brasileiro em Engenharia Biomédica – XXIII CBEB

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INSTRUMENTAÇÃO PARA MONITORAMENTO DO PICO DE FLUXO EXPIRATÓRIO EM PACIENTES ASMÁTICOS VIA INTERNET

R.C.P. Faria1, T.P. Nunes1, J.G. Santos1 e P.L. Melo1,2

1Laboratório de Instrumentação Biomédica – LIB – Inst. de Biologia e Fac. de Engenharia 2 Laboratório de Pesquisas Clínicas e Experimentais em Biologia Vascular – BioVasc

Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Brasil. Fone: (0XX21) 2334-0705, Fax: (0XX21) 2334-0692

plopeslib@gmail.com

Abstract: Home telemonitoring is of great interest in respiratory medicine where a large number of people have long term conditions. We developed a telemedicine instrument for home monitoring of subjects with asthma. The instrument measures forced expiratory flow and connects to the Internet through a smartphone and e-mail messages. The development of the hardware and software used in the instrument is described, as well as initial in vivo results obtained in a normal and an asthmatic subjects. These results were in close agreement with the physiology, confirming the high scientific and clinical potential of this system. We concluded that the developed system could be a useful tool for the implementation of telemedicine services, contributing to reduce the costs of the assistance offered to patients with asthma. Palavras Chaves: Pico de fluxo expiratório, Instrumentação Biomédica, Asma, Telemedicina. Introdução

A asma afeta aproximadamente 300 milhões de pessoas em todo o mundo [1]. O monitoramento do pico de fluxo expiratório (PFE) é amplamente recomendado nas diretrizes internacionais para o manejo da asma [1]. Estes dados são armazenados durante vários meses e posteriormente utilizados para orientar o tratamento. No entanto, os métodos convencionais de registro apresentam problemas importantes associados à baixa adesão e à falsificação de dados [2], fatos usualmente atribuídos ao ônus imposto ao paciente em relação à medição e registro [3]. Estes fatores foram significativamente minimizados empregando monitoramento automático do PFE em comparação ao método tradicional envolvendo caneta e papel [2].

Nas últimas décadas foram observados contínuos avanços nas áreas de telecomunicações e informática que resultaram em uma importante redução de custos, proporcionando uma oportunidade significativa de aprimorar a eficiência dos serviços de saúde. Assim, de modo a amenizar os problemas citados anteriormente, vem sendo desenvolvidos serviços de saúde utilizando os conceitos de home care e telemedicina. Trabalhos

efetuados em países mais desenvolvidos [4], assim como em paises em desenvolvimento [5] indicam que os serviços de home care empregando técnicas de Telemedicina podem aprimorar a assistência oferecida. Neste sentido, diversos trabalhos têm demonstrado que pacientes portadores de doenças respiratórias crônicas, que demandam cuidados constantes por um longo período de tempo, seriam potencialmente beneficiados por este tipo de assistência [6-8]. A qualidade destes serviços depende diretamente do uso de instrumentos portáteis, o que projeta uma demanda crescente por novos instrumentos que permitam uma análise detalhada de parâmetros respiratórios fora do ambiente hospitalar. Visando contribuir neste sentido, nosso grupo de pesquisa vem desenvolvendo sistemas portáteis para monitoramento de parâmetros respiratórios via Internet [9-11]. Neste contexto, o presente trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema para monitoramento do PFE via Internet. Materiais e Métodos Desenvolvimento do sistema

A Figura 1 descreve o diagrama em blocos simplificado do sistema. Foi efetuada uma adaptação em um dispositivo de medida de pico de fluxo comercial de baixo custo (Mini-Wright, KW Med, Inc., USA). Este dispositivo é baseado no uso de uma mola que se distende proporcionalmente ao fluxo produzido pelo paciente. O deslocamento resultante foi medido por meio de um par transmissor/receptor infravermelho (TIL78 / TIL32). Uma tensão estável para a alimentação do circuito transmissor foi obtida a partir do CI LM 723 (Texas Instruments, Texas USA). O sinal derivado do receptor é adaptado a um processador de sinais composto por um estágio inicial de amplificação de ganho linear de 20, associado a um filtro passa-baixas (Butterworth, 4a ordem, 30 Hz) utilizado para eliminar possíveis ruídos e o efeito de aliasing.

A aquisição dos sinais foi efetuada por um módulo Arduino 2009, baseado no microcontrolador ATmega168 (Atmel Corporation; 16MHz, 16kB memória flash, 2kb SRAM, 512 bytes EEPROM).

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Este módulo contém um conversor A/D com resolução de 10 bits e seis canais de entradas analógicas. A comu-nicação entre o Arduino e o smartphone foi efetuada através do protocolo Bluetooth (versão 2.0). O smart-phone utilizado foi o Galaxy S2 modelo 9100 (Samsung Inc.), baseado em um processador dual core 1,2GHz, 16 GB de memória interna e sistema operacional Android 2.3.

O conjunto de programas foi constituído sobre dois ambientes, o ambiente do paciente, que inclui progra-mas para os módulos Arduino e para o smartphone, e o ambiente hospitalar. O programa do smartphone foi desenvolvido para plataforma Android (Google Inc.) com base na linguagem de programação Java e versão 2.1 do SDK do Android na interface de desenvolvimen-to Eclipse Indigo (Eclipse Foundation) em ambiente Linux (Ubuntu 11.10; Canonical). O ambiente Linux apresenta todas as ferramentas necessárias para a elabo-ração dos programas para o celular do paciente, para o servidor e para o computador remoto, de modo a permi-tir transferências de dados via Internet por meio de conexão 3G ou Wireless com celular. A programação do módulo Arduino foi elaborada em ambiente Linux (Ubuntu 11.10) por meio da interface de desenvolvi-mento Processing (software livre) em uma linguagem de programação nativa da mesma.

O Consenso Brasileiro para Testes de Função Pulmonar recomenda que a manobra de expiração for-çada deva ser repetida até que três leituras estejam den-tro de 20L/min cada uma da outra [12]. O resultado final do exame é obtido a partir do maior valor destas 3 leituras. O programa para implementação destas análi-ses no ambiente hospitalar foi desenvolvido utilizando o LabVIEW 8.2 (National Instruments, Austin, TX). Co-mo plataforma de hardware, foi empregado um compu-tador Intel Core 2 Duo de 2.2GHz com 4Gb de RAM, disco rígido de 80 Gb, Monitor LCD de 17" e gravação de DVD, com sistema operacional Microsoft Windows XP. Calibração do instrumento

A calibração foi efetuada movimentando o cursor do medidor de pico de fluxo em intervalos de 50 L/min ao longo da faixa disponível no instrumento (50 a 800 L/min). A figura 2 apresenta a curva de calibração do

instrumento.

A correlação entre os valores de tensão de saída obtidos no circuito de medida de deslocamento (Vd) e na escala do medidor de pico de fluxo (V´m) foi muito próxima de 1 (R=0,996), sendo que os erros descritos pela reta obtida pelo método dos mínimos quadrados (Vd=-177,26+5,85V´m) foram posteriormente corrigidos.

0 200 400 600 8000

1000

2000

3000

4000

5000Parameter Value------------------------A -177,26B 5,85------------------------

R P------------------------0,996 <0.0001------------------------

Ten

são

de s

aída

(m

V)

Fluxo (L/min) Figura 2. Curva de calibração do instrumento.

Resultados

Os programas desenvolvidos para o ambiente do paciente contêm as sub-rotinas de aquisição, processamento e transmissão de dados. As telas principais são apresentadas na Figura 3 e o fluxograma de uso na Figura 4. Antes de iniciar os exames, a comunicação Bluetooth entre o módulo Arduino e o smartphone precisa ser estabelecida por meio do pareamento dos dispositivos (Figura 4). No smartphone podemos observar a presença de dois controles dedicados ao início do exame e ao envio do mesmo (Figura 3A). Ao término do ensaio parcial, o sistema oferece ao usuário a opção de enviar os dados obtidos para um e-mail, ou refazer o exame (Figura 4, Figura 3B). Esta decisão é tomada com base na análise dos resultados do ensaio parcial, que são apresentados em um indicador a direita do painel (Figura 3B), onde podemos observar os dados referentes ao fluxo aéreo ao longo do tempo. Por questão de segurança, ao enviar os resultados por e-mail, estes são também salvos em um arquivo tipo ASCII no smartphone. O programa permite a avaliação de ensaios com até 3 s de duração, com uma frequência de amostragem de 100 Hz. O sistema

Figura 1: Diagrama em blocos básico do sistema portátil para avaliação do pico de fluxo expiratório máximo.

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também permite a identificação automática do pico de PFE. A medida de fluxo aéreo é iniciada automaticamente no início da manobra, quando o valor de fluxo ultrapassa 10 mL/min. Ao final da realização e envio de três ensaios parciais, o programa informa ao usuário o fim do exame e questiona se o usuário quer refazer todo o exame ou sair do programa (Figura 4). As recomendações, enviadas após a análise do exame efetuado anteriormente, podem ser efetuadas por e-mail ao smartphone do usuário.

A

B

C Figura 3: Painéis frontais do programa utilizado no smartphone. Início dos ensaios parciais (A) e apresentação e envio do segundo (B) e terceiro (C) ensaios parciais.

O painel frontal do programa desenvolvido para

utilização no ambiente hospitalar é apresentado na Figura 5. Este programa contém sub-rotinas para importação e apresentação dos resultados dos ensaios parciais enviados pelo paciente, assim como para avaliação do resultado final do exame e armazenamento destes resultados no formato ASCII.

A Figura 6 mostra os traçados típicos e os valores finais dos exames obtidos em um indivíduo normal (49 anos, 170 cm, 74 kg) e em uma paciente apresentando asma leve (25 anos, 62 kg, 162 cm). O teste foi efetuado utilizando uma inspiração máxima seguida por uma expiração forçada máxima, curta e explosiva, através do dispositivo de medida, conforme o consenso brasileiro [12]. Note que a rotina de início automático da medição

não foi empregada nestes ensaios de modo a simplificar a visualização dos resultados.

Figura 4: Fluxograma de utilização do instrumento pelo paciente.

Figura 5: Painel frontal do programa utilizado no ambiente hospitalar.

0,0 0,5 1,0 1,50

100

200

300

400

500

ControleResultado finalPFE = 550 L/minPrevisto = 543 L/min

AsmaResultado finalPFE = 206 L/minPrevisto = 440 L/min

Flu

xo (

L/m

in)

Tempo (s)

Figura 6: Traçados típicos obtidos e valores finais obtidos no exame de um indivíduo normal e uma paciente com asma leve.

Discussão

Avaliações de PFE são amplamente utilizadas na

análise de diversas doenças respiratórias e durante intervenções terapêuticas, sendo particularmente úteis em pacientes asmáticos [13]. O sistema proposto no presente trabalho permite a transferência dos resultados destes exames do smartphone do paciente para um computador remoto no consultório médico. O sistema

Iniciar

Ensaio

ok?Refazer

Enviar

Fim

Não

Sim

Ensaio parcial

Pareamento

Exame

concluído?

Sim

Não

Iniciar

Ensaio

ok?Refazer

Enviar

Fim

Não

Sim

Ensaio parcial

Pareamento

Exame

concluído?

Sim

Não

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também possibilita o recebimento de orientações médicas, efetuadas com base nos resultados dos exames por meio de comunicação do computador remoto para o smartphone do paciente via e-mail. Estudos anteriores mostraram que sistemas baseados em e-mail podem ser úteis no monitoramento da pressão sanguínea [14] e de pacientes asmáticos [15].

Lee e colaboradores utilizaram telefones celulares no monitoramento de indivíduos asmáticos [15]. Este sistema, no entanto, se limita a contribuir na elaboração do diário do paciente, que inclui o acompanhamento de medicação, sintomas etc, e não enfoca a aquisição e processamento dos sinais de pico de fluxo. Ostojic e colaboradores [16] utilizaram mensagens SMS (short-message service) em sistemas de telefonia móvel GSM (Global System for Mobile Communications) no monitoramento de PFE em pacientes asmáticos. Os autores concluíram que o uso de SMS contribuiu para reduzir a variabilidade do PFE, melhorar exames espirométricos e na sintomatologia dos pacientes.

Foi demonstrado anteriormente que o monitoramento diário do indivíduo asmático constitui um meio eficaz de gerenciamento destes pacientes, reduzindo custos associados com a hospitalização e melhorando a qualidade do atendimento ao paciente [15]. No entanto, foi também observado que o aumento da complexidade do procedimento de monitoramento reduz a aderência dos pacientes [17]. Assim, de modo a elevar a aderência dos pacientes ao monitoramento, o procedimento (Figura 4) e as interfaces com o usuário (Figura 5) foram elaborados de maneira a tornar o processo o mais amigável possível.

A Figura 6 mostra o comportamento típico de um ensaio parcial, assim como um resultado final de exame acima do valor previsto para indivíduos normais para o indivíduo controle estudado. Por outro lado, a voluntária com asma leve apresentou um resultado abaixo do valor previsto. Os valores previstos são corrigidos em função da idade, sexo e altura dos indivíduos analisados [12]. A redução do PFE foi claramente descrita no instrumento proposto, ressaltando o adequado funcionamento do sistema. Conclusões

Um novo instrumento para a aquisição e transmissão do pico de fluxo expiratório foi desenvolvido. Resultados iniciais obtidos em indivíduos normais e asmáticos se encontram em concordância com os princípios fisiológicos envolvidos, confirmando o bom desempenho do sistema. Agradecimentos

Os autores agradecem a K.P. Guimarães pelo auxílio técnico e ao CNPq e a FAPERJ pelo apoio financeiro.

Referências

[1] GINA – Global Strategy for Asthma Management and Prevention UPDATE (2011). Disponível em http://www.ginasthma.org/. Acessado em 21 de maio de 2012.

[2] Reddel, H.K., Toelle, B.G., Marks, G.B., Ware, S.I., Jenkins, C.R., Woolcock, A.J. (2002) “Analysis of adherence to peak flow monitoring when recording of data is electronic” BMJ, v. 324, n. 7330, p. 146-7.

[3] Slader, C.A., Belousova, E.G., Reddel, H.K. (2007) “Measuring peak flow enhances adherence to monitoring in asthma” Thorax, v. 62, n. 8, p. 741–742.

[4] Maiolo, C., Mohamed, E.L., Fiorani, C.M., De Lorenzo, A. (2003) “Home telemonitoring for patients with severe respiratory illness: the Italian experience” J Telemed Telecare, v. 9, n. 2, p. 67-71.

[5] Graham, L.E., Zimmerman, M., Vassallo, D.J., Patterson, V., Swinfer, P., Swinfer, R., Wooton, R. (2003) “Telemedicine--the way ahead for medicine in the developing world” Trop Doct, v. 33, n. 1, p. 36-8.

[6] Morlion, B., Verbandt, Y., Paiva, M., Estenne, M., Michils, A., Sandron, P., Bawin, C., Assis-Arantes, P. (1999) “A telemanagement system for home follow-up of respiratory patients” IEEE Eng Med Biol Mag, v. 18, p. 71-9.

[7] Finkelstein, J., Hripcsak, G., Cabrera, M. (1998) “Telematic system for monitoring of asthma severity in patients’ homes” Medinfo, v. 9, p. 272-6.

[8] Mair, F.S., Wilkinson, M., Bonnar, S.A., Wootton, R., Angus, R.M. (1999) “The role of telecare in the management of exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease in the home” J Telemed Telecare, v. 5, suppl. 1, p. S66-7.

[9] Esteves, G.P., Silva Jr., E.P., Nunes, L.G.M.Q., Greco, C.S.S., Melo, P.L. (2010) “Configurable Portable/Ambulatory Instrument for the Analysis of the Coordination between Respiration and Swallowing”. In: Proceedings of the 32nd Annual International Conference of the IEEE EMBS, Buenos Aires, p. 90-93.

[10] Silva Jr., E.P., Esteves, G.P., Faria, A.C.D., Melo, P.L. (2010) “An Internet-based System for Home Monitoring of Respiratory Muscle Disorders”. Proceedings of the 32nd Annual International Conference of the IEEE EMBS, Buenos Aires, p. 5492-5495.

[11] Silva Jr., E.P., Esteves, G.P., Dames, K.K., Melo, P.L. (2011) “A telemedicine instrument for internet-based home monitoring of thoracoabdominal motion in patients with respiratory diseases” Rev Sci Instruments, v. 82, n. 1, DOI: 10.1063/1.3529443.

[12] Pereira, C.A.C. (2002) “Diretrizes para Testes de Função Pulmonar” J Bras Pneumologia, v. 28, supl. 3, p. s29.

[13] Hyatt, R.E., Scanlon, P.D., Nakamura, M. (1997) “Interpretation of pulmonary function tests” Lippincott-Raven, New York.

[14] Nakajima, K., Nambu, M., Kiryu, T., Tamura, T., Sasaki, K. (2006) “Low-cost, email-based system for self blood pressure monitoring at home” J Telemed Telecare, v. 12, n. 4, p. 203-207.

[15] Lee,H-R., Yoow, S.K., Jungz, S-M., Kwony, N-Y., Hongy, C-S. (2005) “A Web-based mobile asthma management System” J Telemed Telecare, v. 11, suppl. 1, p. 56–59.

[16] Ostojic, V., Cvoriscec, B., Ostojic, S.B., Reznikoff, D., Stipic-Markovic, A., Tudjman, Z. (2005) “Improving Asthma Control Through Telemedicine: A Study of Short-Message Service” Telemedicine and e-Health, v. 11, n. 1, p. 28-35.

[17] Jaana, M., Paré, G., Sicotte, C. (2009) “Home Telemonitoring for Respiratory Conditions: A Systematic Review” Am J Manag Care, v. 15, n. 5, p. 313-320.