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I
Margarida Amorim de Beir
Arquiteturas de Interoperabilidade de
Sistemas de Informação na Área da Saúde
Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia e
Gestão de Sistemas de Informação
Trabalho efetuado sob a orientação de
Professor Doutor Ricardo Jorge Machado
Mês Fevereiro de 2018
ii
SUMÁRIO
Atualmente, a doença que mais mortes tem registado é a Insuficiência Cardíaca (IC), pois quando é
diagnosticada já se encontra numa fase aguda, como é o caso do enfarte do miocárdio. Por forma a
diminuir ou detetar mais cedo os casos de insuficiência cardíaca, um grupo de investigadores,
composto por médicos, enfermeiros, professores e psicólogos desenvolveu um projeto que consiste
na Telemonitorização da IC. Este estudo deu origem a um software denominado de SmartBeat, cujo
objetivo foi desenvolver e avaliar um sistema inteligente para a gestão da Insuficiência Cardíaca em
pessoas seniores: uma solução integrada para potenciar os cuidados pessoais do paciente através da
monitorização autónoma dando uma resposta em tempo real aos seus cuidadores de saúde. Usando
o SmartBeat é possível acompanhar a evolução da doença e melhorar a qualidade de vida dos
pacientes. Contudo, o grupo de investigadores optou agora por desenvolver uma nova versão do
SmartBeat, que propõe o acréscimo de novas funcionalidades para novas entidades que prestam
serviços médicos. Assim, surge o projeto “Deus ex Machina”, uma extensão do projeto SmartBeat, cujo
objetivo é permitir estudar e intervir na IC de forma ainda mais integrada e multidisciplinar, pela adição
de vetores comportamentais e nutricionais. Para esta dissertação, o objetivo será desenvolver
competências na área da interoperabilidade entre os diferentes sistemas, na modelação de processos,
na conceção de arquiteturas de sistemas e no levantamento de requisitos funcionais e não funcionais.
Palavras-Chave: Sistemas de Informação na Saúde; Telemedicina; Interoperabilidade; Arquitet
iii
ABSTRACT
Currently, the diseased that has more death records is the Heart Failure, because when it is diagnosed
it is already in a very critical phase, like the case of myocardial infarction. In order to decrease or detect
earlier the Heart Failure's cases, a group of investigators, composed by doctors, nurses, professors and
psychologists developed a project about Telemonitoring of Heart Failure. This study originated a
software called SmartBeat, which objective was developing and analyze an intelligent system for
management the Heart Failure in older people: an integrated solution to enhance the personal cares
of the patient through autonomous telemonitoring giving a real-time response to the caregivers. Using
SmartBeat is possible to follow the evolution of the disease and improve the life quality of the patients.
However, the investigators chose to develop a new version of SmartBeat, which add new
functionalities to new entities providing new medical services. Therefore, created the project "Deus
ex Machina", an extension of the SmartBeat project, which objective is to study and intervene in the
Heart Failure in a way more integrated and multidisciplinary by the addition of behavioral and
nutritional vectors. To this dissertation, the objective is to develop skills about interoperability
between different systems, process modeling, design of architectures and functional and non-
functional requirements.
iv
ÍNDICE
Sumário .................................................................................................................................................... I
Abstract .................................................................................................................................................. iii
1. Introdução ................................................................................................................................... 7
1.1 Contextualização ..................................................................................................................... 7
1.2 Objetivos ................................................................................................................................. 9
1.3 Abordagem Metodológica ..................................................................................................... 10
1.4 Organização do Documento .................................................................................................. 11
2. Estado da Arte ........................................................................................................................... 13
2.1 Insuficiência Cardíaca ............................................................................................................ 13
2.2 Conceitos Relacionados com a Área da Saúde ...................................................................... 14
2.2.1 Sistemas de Informação na Saúde ................................................................................ 14
2.2.2 Telemedicina ................................................................................................................. 17
2.3 Interoperabilidade ................................................................................................................. 18
2.3.1 Conceitos de Interoperabilidade ................................................................................... 19
2.3.2 Ideias Subjacentes ao Conceito de Interoperabilidade ................................................. 20
2.3.3 Interoperabilidade vs. Integração ................................................................................. 25
2.4 Arquiteturas .......................................................................................................................... 26
2.4.1 Conceitos e Fundamentos ............................................................................................. 26
2.4.2 Arquiteturas de Software .............................................................................................. 27
2.4.3 Arquiteturas Lógicas ...................................................................................................... 29
3. Trabalho Realizado até ao Momento ........................................................................................ 30
3.1 Caracterização do SmartBeat ................................................................................................ 30
3.2 Arquitetura do SmartBeat ..................................................................................................... 32
4. Planeamento para Trabalhos Futuros ....................................................................................... 36
5. Conclusão .................................................................................................................................. 38
6. Referências ................................................................................................................................ 41
Anexo I – Glossário Médico ................................................................................................................... 47
5
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Fases do Modelo de Processo da Metodologia DSR. ............................................................ 10
Figura 2 - Níveis de Interoperabilidade ................................................................................................. 21
Figura 3 - Objetivo da Arquitetura de Software .................................................................................... 27
Figura 3 - Modelo de Três Camadas ...................................................................................................... 28
Figura 4 - Estrutura Resumida do SmartBeat ........................................................................................ 30
Figura 5 - Arquitetura Ilustrativa do SmartBeat .................................................................................... 33
Figura 6 - Planeamento das Tarefas ao longo da Dissertação .............................................................. 36
6
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 - Manifestações clínicas comuns de Insuficiência Cardíaca. .................................................. 13
Tabela 1 - Características da Interoperabilidade e Integração ............................................................. 25
Tabela 2 - Descrição da Estrutura do SmartBeat ................................................................................... 31
Tabela 3 - Dispositivos de Monitorização do SmartBeat utilizados no VSS .......................................... 32
Tabela 3 - Descrição dos Componentes Presentes na Estrutura VSS .................................................... 33
Tabela 4 - Descrição dos Componentes Presentes na Estrutura SBC ................................................... 34
Tabela 5 - Descrição dos Componentes Presentes na Estrutura MIU ................................................... 34
Tabela 6 - Descrição dos Componentes Presentes na Estrutura CGP ................................................... 35
Tabela 7 - Armazenamento dos Dados Obtidos da Estrutura VSS ........................................................ 35
7
1. INTRODUÇÃO
1.1 Contextualização
O rápido crescimento tecnológico sentido atualmente tem tornado possível a criação de novas técnicas
e novos produtos, com o objetivo de melhorar a qualidade de vida das pessoas. A área médica é uma
das muitas a beneficiar com a evolução das tecnologias, pois permite elaborar técnicas mais seguras e
inovadoras no tratamento de muitas doenças clinicas, como a vigilância dos sinais vitais em tempo
real. A cardiologia é uma das disciplinas médicas que tem acompanhado o avanço tecnológico,
conseguindo implementar na atualidade sistemas de telemonitorização (vigilância dos sinais vitais em
tempo real) para controlo de pacientes com Insuficiência Cardíaca (IC) [1]. Dados fornecidos pelo
estudo de Epidemiologia da Insuficiência Cardíaca e Aprendizagem (EPICA) para avaliar a prevalência
da Insuficiência Cardíaca em Portugal, concluiu que 6 300 utentes dos cuidados primários com mais de
25 anos, revelam uma prevalência global de IC de 4,3% nos homens e 4,4% nas mulheres, aumentando
estes valores para grupos etários mais velhos (1,4% entre 25-49 anos; 2,9% entre 50-59 anos; 7,6%
entre 60-69 anos; 12,7% entre 70-79 anos; 16,1% acima dos 80 anos) [2]. As internações hospitalares
por IC estão a tornar-se numa questão clínica muito séria, sendo necessário encontrar estratégias ou
soluções não invasivas que consigam detetar precocemente o agravamento da doença, impedindo que
esta chegue ao estado de internamento [3].
Assim, a presente dissertação está inserida no âmbito do Projeto “Symbiotic Tecnhology for Societal
Efficiency Gains - Deus ex Machina (DeM)”, financiado pelo Fundo de Desenvolvimento Regional
(FEDER), através do “NORTE 2020” que propõe encontrar soluções para enfrentar desafios presentes
na sociedade, relacionados com o estabelecimento de relações simbióticas entre os seres humanos e
a tecnologia, de modo a desenvolver “amigos tecnológicos” não intrusivos, ou seja, ferramentas de
assistência para a vida diária dos pacientes em vários domínios, tais como, a saúde, o bem-estar e a
nutrição. Neste projeto estão envolvidos diversos parceiros, entre eles, a Fraunhofer Research Center
for Assistive Information and Communication Solutions (AICOS), o Serviço de Cardiologia do Centro
Hospital São João no Porto, o Departamento de Medicina da Faculdade de Medicina da Universidade
do Porto, o Centro de Investigação em Tecnologia e Serviços de Saúde (CINTESIS), o Centro de
Psicologia da Universidade do Porto, a Faculdade de Psicologia e de Ciências da Educação da
Universidade do porto, Faculdade de Ciências da Nutrição e Alimentação da Universidade do porto, o
Departamento de Neurociências Clínicas e Saúde Mental, o Centro de Investigação da Escola de
Engenharia da Universidade do Minho (Algoritmi) e o Centro de Computação Gráfica (CCG)
(subcontratado pela Universidade do Minho).
8
Atualmente, já se encontra a decorrer o Projeto SmartBeat (Smart System for the Mangemnet of Heart
Failure in Older Adults) que visa o desenvolvimento e teste de uma aplicação móvel para
smartphone/tablet dirigida a pessoas com diagnóstico de IC, com o propósito de criar condições de
monitorização autónoma, através do fornecimento de dados em tempo real ao paciente, aos
cuidadores informais e aos profissionais de saúde.
Assim, o “Deus ex Machina” será, uma extensão do projeto SmartBeat, que permitirá uma intervenção
multidisciplinar mais integrada pela adição de novos vetores comportamentais e nutricionais, ou seja,
o objetivo será alargar o SmartBeat a várias linhas de trabalho que permitam estudar e intervir na IC
de forma ainda mais detalhada, incluindo a atenção à caquexia, à prevenção secundária da doença em
termos de atividade física e alimentação, teleassistência, promoção e adesão terapêutica, e por fim,
educação para a saúde. Todas estas novas linhas de intervenção, partirão de uma avaliação da situação
clínica dos doentes com IC, assim como do funcionamento cognitivo e presença de sintomatologia
depressiva e ansiosa.
O resultado pretendido pelo projeto do DeM é desenvolver uma nova versão do SmartBeat, um
SmartBeat Plus, com potencial para contribuir para a prevenção de complicações associadas à
Insuficiência Cardíaca. Se os objetivos deste projeto forem alcançados, este contribuirá
significativamente para a melhoria da qualidade de vida do paciente e familiares, para a redução da
percentagem da mortalidade, para a redução do número de internamentos e redução dos custos
associados às hospitalizações/internamentos. Em suma, o presente estudo de telemonitorização da IC
pretende desenvolver e testar uma aplicação destinada ao registo de parâmetros hemodinâmicos dos
pacientes.
O Centro de Computação Gráfica, um dos parceiros do projeto do “Deus ex Machina”, e responsável
pelo enquadramento desta dissertação, terá como contributo desenvolver uma nova tecnologia que
ajude na deteção precoce de sintomas da Insuficiência Cardíaca. A intervenção do CCG incidirá sobre
a área do Data Mining e Machine Learning, cujo intuito será ajudar os profissionais de saúde a
controlar os sintomas diários dos seus pacientes com IC, uma vez que, estes, atualmente têm pouco
tempo para observar os pacientes, ficando muitos utentes sem a observação diária.
Este sistema a desenvolver irá contribuir para que as entidades médicas, que por ofício da profissão
vêem-se obrigadas a lidar diariamente com consultas, situações de emergência, reuniões, congressos
e ensino universitário, possam ser auxiliados na tarefa de observação e controlo da situação clínica
dos pacientes.
Desta forma, a presente dissertação de mestrado terá como finalidade desenvolver uma arquitetura
de sistemas com novas funcionalidades que permita melhorar o projeto SmartBeat e
consequentemente, trazer mais qualidade de vidas aos pacientes e mais suporte aos profissionais de
saúde.
9
1.2 Objetivos
O presente capítulo pretende demostrar quais os principais objetivos e resultados esperados a atingir
com a realização deste documento de dissertação. Visto tratar-se de um tema inserido num projeto
de ambiente empresarial na área da saúde, cujo intuito é melhorar a qualidade de vida e o bem-estar
do paciente, tudo o que for elaborado e desenvolvido nesta dissertação contribuirá para a diminuição
de hospitalizações de doentes com insuficiência cardíaca e consequentemente para uma redução da
mortalidade.
Assim, este projeto de dissertação terá três objetivo principais:
1º Objetivo – Levantamento de Requisitos de um Sistema de Telemonitorização para a
Insuficiência Cardíaca (SmartBeat).
2º Objetivo – Estudo de Aplicações/Sistemas de Telemonitorização.
3º Objetivo – Conceção de uma Arquitetura de Sistemas e Interoperabilidade
O primeiro objetivo é fundamental para perceber o contexto do sistema de telemonitorização do
SmartBeat, ou seja, em termos tecnológicos entender como está construído e que componentes
utiliza. Depois, em termos de especificação, entender o que faz, que funcionalidades oferece e quem
são os atores envolvidos. Só através deste objetivo é que será possível investigar e pesquisar novas
funcionalidades.
O segundo objetivo procura identificar e propor uma nova funcionalidade que acrescente valor ao
SmartBeat e possa ser introduzido no SmartBeat Plus.
O terceiro e principal objetivo desta tese de mestrado consiste no desenvolvimento de uma
arquitetura de sistemas que implemente a nova funcionalidade. A concretização deste objetivo requer
a existência de maior capacidade de colaboração entre os diversos organismos, o que impõe,
necessariamente a existência de capacidade de interoperabilidade entre os sistemas de informação.
Para além disso, a arquitetura terá que ser capaz de acoplar e desacoplar a nova funcionalidade do
sistema geral.
Ao fim da apresentação e descrição dos objetivos é possível caracterizar esta dissertação como sendo
de carácter teórico e aplicativo. Teórico porque envolve uma análise de literatura no âmbito das
tecnologias para a saúde e aplicativo porque surge com uma proposta arquitetural capaz de melhorar
o sistema de telemonitorização já existente.
10
1.3 Abordagem Metodológica
Um trabalho de investigação científica exige um certo nível de dedicação, esforço, responsabilidade e
cuidado. Por isso, foi necessário recorrer a uma abordagem metodológica capaz de auxiliar a execução
deste projeto de dissertação de mestrado, no intuito de concretizar os objetivos propostos
inicialmente, dentro do tempo previsto.
Geralmente, uma abordagem representa meios, procedimentos ou técnicas de forma a (1) recolher
dados, (2) formular hipótese ou proposições, (3) testar a hipótese, (4) interpretar os resultados e (5)
retirar conclusões que podem ser avaliadas de forma independente por outros [4]. Existe, portanto, a
necessidade de recorrer a um método científico, que possa estruturar e ajudar na concretização dos
objetivos da tese.
Por sua vez, uma metodologia é “um sistema de princípios, práticas e procedimentos aplicados a um
ramo específico do conhecimento” [5].
No seguimento da pesquisa, foram estudadas as várias metodologias existentes, terminando com a
seleção da metodologia que se considerou mais adequada à natureza do problema definido. Como
resultado final, a abordagem metodológica que mais se adequa ao trabalho de investigação será a
Design Science Research (DSR), que operacionaliza a construção do conhecimento [6].
O princípio fundamental da Design Science Research é permitir “o conhecimento e a compreensão de
um problema e sua solução são adquiridos na construção e aplicação de um artefacto inovador” [7].
Esta metodologia é divida em seis etapas distintas, tal como está representado na Figura 1, onde é
possível analisar detalhadamente as técnicas utilizadas e os resultados esperados para cada uma delas,
ajudando a compreender a forma real como irá decorrer o processo de investigação, desde o
estabelecimento da temática em questão até à entrega final da dissertação.
Figura 1 - Fases do Modelo de Processo da Metodologia DSR. Adaptado de [5].
A primeira fase diz respeito à Identificação do Problema. Nesta fase efetua-se uma descrição do
problema encontrado, assim como, justifica-se a importância de criar um artefacto para resolver o
problema em causa [5].
11
A segunda fase consiste na Definição dos Objetivos e está interligada à fase anterior. É aqui que serão
estabelecidos os objetivos necessários para dar resposta ao problema. O resultado final desta etapa é
conseguir identificar os objetivos até ao projeto final [5].
A terceira fase, o Design e Desenvolvimento, consiste no desenvolvimento e na implementação dos
objetivos mencionados na fase anterior, dando assim início a um artefacto. Os artefactos
desenvolvidos podem ser modelos, métodos oi instanciações [5].
A quarta e quinta fases, Demostração e Avaliação, respetivamente, focam-se na avaliação e
verificação do artefacto construído, com o intuito de verificar se o mesmo é a solução para o problema
mencionado [5].
Por fim, a sexta fase, a Comunicação, esta fase diz respeito aos resultados obtidos com o artefacto,
assim como, os conhecimentos adquiridos ao longo do processo de desenvolvimento do mesmo [5].
Sendo o grande objetivo deste trabalho responder à questão de investigação anteriormente descrita,
serão adotadas as seis fases desta metodologia [8] que servirão como guia na resolução do problema
apresentado.
É com base no resultado final de todas estas fases metodológicas, irá ser desenvolvido o presente
documento de dissertação.
1.4 Organização do Documento
O presente documento está estruturado em cinco capítulos, Introdução, Estado da Arte, Trabalho
Realizado até ao Momento e Conclusão.
O primeiro capítulo, Introdução, está dividido em quatro subcapítulos, ou seja, uma contextualização
sobre propósito do tema de dissertação, os objetivos a atingir com este projeto, a abordagem
metodológica a adotar e a organização do presente documento.
No segundo capítulo encontra-se o Estado da Arte efetuado. Este está dividido em torno de quatro
conceitos fundamentais: Insuficiência Cardíaca, Sistemas de Informação na Saúde, Interoperabilidade
e Arquiteturas. Na primeira parte é feita uma descrição da doença que move este projeto e ao mesmo
tempo que ajuda a perceber o contexto da aplicação SmartBeat. Na segunda parte é demostrada a
evolução dos sistemas de informação de saúde para entender que tecnologias é que temos hoje em
dia ao dispor. Numa terceira parte é abordado o termo da interoperabilidade, conceito este que será
fundamental para a construção da arquitetura e da nova adaptação para o SmartBeat Plus. Por último,
será abordado o tema das arquiteturas, que terá como foco a sua conceção e elaboração.
12
No terceiro capítulo será apresentado um pouco do trabalho realizado até ao momento, mais
precisamente, a análise à estrutura e arquitetura do SmartBeat.
No quarto capítulo estão detalhadas todas as tarefas a realizar até à entrega do projeto de dissertação,
ou seja, consta de um pequeno plano de trabalhos onde estarão calendarizadas e esclarecidas todas
as atividades a realizar.
No quinto capítulo relativo às conclusões, será apresentado um breve resumo do que já foi elaborado
e do que possivelmente será acrescentado.
Na última parte do documento, para além das referências que suportaram todo este documento existe
também um glossário médico, em anexo, que poderá ser útil no esclarecimento de algum termo mais
técnico relacionado com a área da saúde.
13
2. ESTADO DA ARTE
2.1 Insuficiência Cardíaca
Muitas definições têm sido apresentadas nos últimos 50 anos [9] para a Insuficiência Cardíaca (IC),
uma patologia clínica, estudada pela área da cardiologia.
Em 1983 considerava-se que era um estado fisiopatológico em que uma anormalidade da função
cardíaca é responsável pela falha do coração para bombear sangue a uma taxa proporcional às
exigências dos tecidos metabolizadores [10].
Atualmente, a Insuficiência Cardíaca é uma síndrome clínica caracterizada por sintomas (ex.: dispneia,
edemas e fadiga) e sinais típicos (ex.: pressão venosa jugular elevada, crepitações pulmonares, edema
periférico), causados por uma anomalia na estrutura ou na função cardíaca que resulta na redução do
débito cardíaco, ou numa elevada pressão cardíaca em repouso, ou em esforço [11].
A sua deteção pode ser avaliada através de questionários, exames físicos, exames radiológicos,
medidas de desempenho ventricular e capacidade de exercício. Todos estes métodos, no entanto, têm
grandes limitações quando usados independentemente. [12] Um doente com perfil de Insuficiência
Cardíaca possui os seguintes sintomas: falta de ar em repouso ou durante o esforço físico, sinais de
retenção de líquidos através do inchaço nos tornozelos, congestão pulmonar e evidência de uma
anormalidade na estrutura ou função do coração em repouso [9]. Na Tabela 1, é possível visualizar
com mais detalhe quais as manifestações mais comuns provocadas por esta doença cardiovascular.
Tabela 1 - Manifestações clínicas comuns de Insuficiência Cardíaca. (Tabela adaptada do artigo ESC Guidelines for the diagnosis and treatment of acute and chronic heart failure 2008)
Características clínicas Sintomas Sinais
Edema/ Congestionamento
Periférico Falta de Ar
Cansaço, fadiga Anorexia Pressão venosa jugular levantada Edema pulmonar Caquexia Sobrecarga de fluido
Edema Pulmonar
Falta de Respiração Grave em repouso
Taquicardia
A abordagem terapêutica da IC inclui tratamentos à base de intervenção não farmacológica e
farmacológica, a terapêutica com dispositivos implantáveis e cirúrgica (transplante cardíaco) [11]. É
14
considerada como uma das epidemias do século XXI [13] , pois, nos países desenvolvidos a sua
prevalência é de 1 a 2% na população adulta, senso superior a 10% nas pessoas com idade igual ou
superior a 70 anos. Aos 55 anos de idade o risco de vir a desenvolver IC é de 33% nos homens e 21%
nas mulheres [11]. Nos dias de hoje, a IC preocupa mais de 5 milhões de americanos e 15 milhões de
europeus, sendo que os custos do diagnóstico e tratamento atingem os 34 bilhões de dólares por ano
[14] [9] [15], estando referenciada como uma das patologias que implica um maior número de
internamentos hospitalares [16].
Para reverter esta situação, têm-se incrementado estudos em relação à sua terapêutica, sendo agora
prioritário proceder ao desenvolvimento de medidas preventivas através da adoção de programas
estruturados de prevenção secundária [17]. Estes programas estruturados de prevenção secundária,
descritos pela Sociedade Europeia de Cardiologia, passam essencialmente pela prescrição de exercício
físico, aconselhamento nutricional, controlo do peso e monitorização de sinais vitais [18].
2.2 Conceitos Relacionados com a Área da Saúde
O presente projeto de dissertação insere-se no âmbito da saúde, ou seja, tudo o que for desenvolvido
será em prol de um projeto relacionado com a cardiologia. Por isso, é importante considerar os termos
tecnológicos existentes na saúde. Neste subcapítulo estarão então descritos os sistemas de
informação utilizados na saúde, dos quais fazem parte as tecnologias de saúde eletrónica e a saúde
móvel associada a sensores remotos. Existe depois a necessidade de analisar o termo da Telemedicina,
que surgiu há uns séculos atrás, mas que atualmente se tem destacado consideravelmente por
substituir os métodos de prestação de cuidados de saúde tradicionais por novos métodos a nível da
telemonitorização remota.
2.2.1 Sistemas de Informação na Saúde
Hoje em dia, todas as organizações possuem um Sistema de Informação (SI) com o propósito de as
auxiliar no cumprimento da sua missão [19].
Buckingham surge em 1987 com uma das primeiras designações de Sistemas de Informação
descrevendo-o como “um sistema que reúne, guarda, processa e faculta informação relevante para a
organização (...), de modo que a informação é acessível e útil para aqueles que a querem utilizar,
incluindo gestores, funcionários, clientes, (...). (…) é um sistema de atividade humana que pode
envolver ou não a utilização de computadores.” [19].
15
Na expectativa de tentar clarificar ainda mais este conceito tão inovador, Laudon (1988) afirma que
“um sistema de informação pode ser definido tecnicamente como sendo um conjunto de
componentes inter-relacionados cuja função é recolher, processar, armazenar e distribuir informações
de forma a apoiar a tomada de decisão na organização. Ainda assim, afirma que além de suportar e
apoiar na tomada de decisão, da coordenação e do controlo, os sistemas de informação também
ajudam gestores e trabalhadores a analisar problemas, a visualizar assuntos complexos e a desenvolver
novos produtos” [20].
Contudo, como quase todos os Sistemas de Informação necessitam de equipamentos e suportes
lógicos (hardware e software) [19], deveria ser introduzida na definição de SI as Tecnologias de
Informação (TI). Ukrais (1997) já caracterizou um Sistema de Informação como “o meio pelo qual as
organizações e as pessoas, utilizando as Tecnologias da Informação reúnem, processam, armazenam,
utilizam e divulgam informações” [21]. Assim, os Sistemas de Informação passam a contemplar as
Tecnologias de Informação na sua essência.
A revolução no setor da Tecnologia de Informação tem uma grande influência na sociedade atual [22].
As organizações de serviços de saúde presenciaram, na última década, mudanças significativas e ainda,
uma enorme pressão para a utilização dos Sistemas de Informação. Funcionários, gestores,
enfermeiros e médicos têm o seu trabalho cada vez mais suportado e dependente de Sistemas e
Tecnologias de Informação [23]. Estes, têm um potencial significativo para melhorar o processo, a
qualidade e a eficiência dos cuidados de saúde [24], conduzindo a um atendimento mais eficaz, o qual
se traduz numa maior satisfação por parte do paciente. Por outro lado, os Sistemas de Informação
presentes na área da saúde ajudam a reduzir os custos dos atos médicos, a ocorrência de erros em
cirurgias médicas, e na proteção dos dados dos pacientes [25].
“Os Serviços de Informação online mudaram os paradigmas tradicionais da prestação de serviços e
abriram oportunidades sem precedentes às organizações e aos cidadãos, não só na acessibilidade e
disponibilidade, mas também na quantidade e diversidade” [26]. O sistema hospitalar passou a ser
mais eficaz e eficiente na forma como os serviços são prestados aos seus pacientes.
Em 1999, surge a saúde eletrónica (e-health) [27] como forma de melhorar os serviços prestados aos
cuidados de saúde disponibilizados através da internet, variando desde produtos informativos,
educacionais e comerciais a serviços diretos oferecidos por profissionais, não profissionais, empresas
ou consumidores [28]. E-Health é amplamente definida como aplicação de tecnologias de informação
e comunicação que envolve um conjunto de funções direcionadas para a prestação de cuidados de
saúde, motivados pelo ganho financeiro [27] . Estas funções podem incluir uma grande variedade de
informações, tais como, registos médicos sobre o paciente, informações de pagamentos, registo
hospitalar sobre funcionários, entidades médicas e áreas clínicas [29].
16
No entanto, como a saúde humana é um campo muito amplo que procura constantemente cobrir
muitos processos e tarefas de saúde, surgiram novas áreas, como m-health e e-payment1 [29].
A “Mobile Health” (m-health), também designado por Saúde Móvel, vem aliar-se à saúde eletrónica
(e-health) em termos de tecnologias de comunicação móvel. A Saúde Móvel procura prestar cuidados
de saúde a qualquer pessoa, a qualquer hora e em qualquer lugar, removendo restrições locais e
temporais, enquanto aumenta a abrangência e a qualidade dos cuidados de saúde [30].
Aparentemente, este sistema para além de interagir com aplicações de saúde, através de um
telemóvel, pode envolver sensores e redes sem fios, interagindo num vasto leque de serviços de saúde,
tais como, fornecimento de cuidados de emergência, vigilância das rotinas diárias dos pacientes, apoio
na tomada de decisão, forneciemnto de formas de prevenção de doenças e contribuição para o bem-
estar [30].
No presente século, a telehealth (tele-saude) ou telemedicine (telemedicina) é um assunto de grande
interesse para as entidades de cuidados de saúde no século XXI [31]. É de notar, que o termo tele-
saúde abrange a telemedicina, ou seja, juntando os dois conceitos obtém-se a seguinte definição:
integração de sistemas de telecomunicações para a prática e promoção da saúde [27] , onde a
telemedicina faz uso das Tecnologia de Informação para disponibilizar serviços e informações médicas
de um local para outro, permitindo desta forma um intercâmbio de informações não presenciais,
elaboração de diagnósticos à distância, prevenção e tratamento de doenças [32].
Na atualidade, a presença dos Sistemas de Informação nas mais variadas valências da saúde, através
do recurso às Tecnologias de Informação, melhoraram o sistema de funcionamento hospitalar,
colocando o cidadão no centro do sistema, exigindo perspetivas mais amplas e modelos
organizacionais que promovam redes integradas de saúde [23]. Através destes novos sistemas, os seus
utilizadores passam a estar mais informados, com capacidade de tomar decisões acertadas em relação
ao seu estilo de vida e, consequentemente, a reduzir o agravamento da doença, gerindo-a e tratando-
a precocemente. Aceder a um conjunto de cuidados sem sair de casa é uma das grandes vantagens
deste Sistema de Telemonitorização utilizando estratégias m-health, o que permite que doentes
crónicos possam ter consultas online, acesso a material informativo sobre a sua doença,
informações/mensagens personalizadas enviadas para o telemóvel, entre outros. Para os profissionais
de saúde, estes sistemas são a base de uma plataforma de auxilio para evitar o risco de errar,
aumentando a segurança e qualidade dos cuidados prestados.
1 http://knoow.net/ciencinformtelec/informatica/e-payment/
17
2.2.2 Telemedicina
A forma mais comum de prestar cuidados de saúde é através do contacto pessoal, entre profissional
de saúde e paciente. Existe, no entanto, uma tendência crescente para a prestação de cuidados de
saúde na ausência de um contacto pessoal [33].
A telemedicina, surge como resposta aos desafios vividos pela medicina, como é o caso do elevado
número de consultas desnecessárias, as quais aportam avultados custos para as entidades de saúde,
para os utentes, e para correção das assimetrias existentes nas diferentes classes sociais, como é o
caso das desigualdades em termos de assistência médica, acesso a Unidades Hospitalares
diferenciadas, bem como a distância geográfica da residência em relação à Unidade de Saúde
pretendida.
O seu principal objetivo é possibilitar o tratamento médico de alta complexidade em pacientes
localizados em qualquer parte do mundo, evitando deslocamentos desnecessários e, libertando as
Unidades de Saúde de consultas que muitas das vezes bloqueiam o seu normal funcionamento [34].
Por isso, e de acordo com o seu principal objetivo, a Telemedicina é definida como sendo uma
ferramenta que utiliza Tecnologias de Telecomunicações e Computador, em associação com
conhecimentos médicos para facilitar a entrega remota de cuidados de saúde [35]. Mais sucintamente,
pode dizer-se que é um processo avançado para monitorização de pacientes, de troca de informações
médicas e análise de resultados de diferentes exames2. Na sua essência, não é nada mais, nada menos
do que mover os dados de saúde em vez de mover o paciente [33]. O processo envolve o uso de
computadores, som, vídeo, processamento de imagem, sistemas sem fio, sistemas de satélite e
internet. [35]
Quando falamos em telemedicina não estamos a referir-nos a um conceito recente, pois este, já existe
há mais de 1500 anos [33]. Contudo, a sua definição em termos tecnológicos tem sofrido alterações
devido à constante evolução das Tecnologias de Informação e de Comunicação envolventes [36].
Historicamente, a primeira referência a cuidados de saúde à distância reporta à segunda metade do
século XIX, onde os diagnósticos e prescrições trocadas entre médico e paciente realizavam-se através
de cartas de correio [37] . Em 1835, com o aparecimento do telégrafo, muitas foram as mensagens
enviadas por soldados americanos durante a Guerra Civil, a relatar acidentes ocorridos e a encomendar
medicamentos [37]. Mais tarde, a telegrafia foi substituída pelo telefone que veio possibilitar que o
eletrocardiograma pudesse ser transmitido de um hospital para um laboratório médico através de
linhas telefónicas. Assim, através da transmissão dos sons cardíacos e pulmonares, o especialista podia
avaliar o estado dos órgãos [33]. Com o aparecimento do rádio (1920) foi possível distribuir este
2 http://portaltelemedicina.com.br/telemedicina-o-que-e-e-como-funciona/
18
aparelho por estações, missões e residências humanas, tendo como objetivo realizar exames médicos
e avaliações através da rede de telecomunicações. Estes, foram os primeiros passos no uso da telefonia
para a transmissão à distância de variáveis fisiológicas [33]. A partir do ano de 1950, para além dos
sistemas baseados em comunicações de rádio para a saúde, passaram também a existir as
transmissões de imagens radiológicas entre os hospitais, graças ao aparecimento da televisão [37]
[33].
A videoconferência passa a ser a tecnologia utilizada em 1967 e foram estabelecidas estações de
comunicação entre os hospitais e os aeroportos para prestação de atendimento médico de emergência
aos funcionários e viajantes do mesmo. A partir dos anos 90 surge a internet, e com ela o uso da
monitorização remota do paciente que armazena e encaminha dados através da web. Atualmente, já
existe o smartphone que permite a telemonitorização em tempo real, a partir de qualquer lugar [37],
envolvendo o uso de computadores, som, vídeo, processamento de imagem, sistemas sem fio,
sistemas de satélite e internet. [35]
A telemedicina está dividida nas seguintes categorias: Armazenamento e Encaminhamento, Serviços
Interativos e Monitorização Remota [33].
O Armazenamento e Encaminhamento envolvem a aquisição de dados e transmissão desses mesmos
dados para o médico especialista, para que este os possa avaliar. Um diagnóstico médico devidamente
estruturado, em formato digital, deve ser um componente dessa transferência. O processo de
armazenamento e encaminhamento exige ao profissional de saúde que confie num relatório histórico,
em vez de um exame físico.
Os Serviços Interativos fornecem interações em tempo real entre paciente e profissional de saúde, que
podem incluir chamadas telefónicas, comunicações online e visitas ao domicilio. Muitas atividades, de
que são exemplo a consulta do histórico, o exame físico e a avaliação psicológica, podem ser realizadas
à distância, sem recorrer ao método tradicional da consulta presencial.
A Monitorização Remota, mais conhecida como Telemonitorização, é uma das principais categorias da
telemedicina, permitindo que os profissionais de saúde controlem clinicamente um paciente,
remotamente, usando para o efeito diversos dispositivos tecnológicos. Este método é usado
principalmente para gerir doenças crónicas (cardíacas, diabetes ou asma) [33].
2.3 Interoperabilidade
O termo interoperabilidade é um dos principais conceitos da presente dissertação de mestrado e,
como tal, considerou-se oportuno dedicar especial atenção à clarificação do seu significado. Esta
19
clarificação tornou-se essencial, na medida em que ainda existe uma certa ambiguidade na sua
compreensão.
No presente estado da arte, serão abordadas várias temáticas relacionadas com o termo da
interoperabilidade. Numa primeira análise será esclarecida a ambiguidade existentes à volta do
conceito de interoperabilidade, podendo esta estar relacionada com as inúmeras perspetivas
existentes em relação ao seu significado verdadeiro. Como segundo fator fundamental para a
percetibilidade da interoperabilidade serão expostas as três dimensões básicas que o Framework for
Enterpreise Interoperability [38] definiu, entre elas as preocupações, os obstáculos e as abordagens à
interoperabilidade. As preocupações definem o conteúdo de interoperação que pode ocorrer em
vários níveis da empresa, destacando os seguintes parâmetros: dados, serviços, processos, negócios.
As barreiras identificarão os obstáculos à interoperabilidade focando três grandes níveis - concetual,
tecnológico e organizacional. Por fim, e terminando este o segundo requisito serão retratadas as
abordagens à interoperabilidade que visam à apresentação de soluções para remover os obstáculos
[39].
Como terceiro e último fator a ser abordado neste capítulo de estado da arte, deverá ser atribuída
uma atenção especial a termos distintos da interoperabilidade que atualmente são inadequadamente
considerados como sinónimos. Em questão está a palavra integração, utilizada como sinónimo de
interoperabilidade, mas que na realidade é um termo distinto, que convém ser clarificado e
esclarecido.
Estes três aspetos ou requisitos, relacionados com o termo interoperabilidade serão focados e
analisados neste capitulo, com o objetivo de terminar com as ambiguidades existentes.
2.3.1 Conceitos de Interoperabilidade
A pesquisa para a compreensão acerca do conceito de interoperabilidade originou uma vasta recolha
de definições sobre este termo. Com esta diversidade de caracterizações, foi possível entender o seu
significado e, assim expor as ideias chave que dele advêm.
A interoperabilidade é um conceito que surgiu no final do século XX, época em que a tecnologia das
comunicações começou a evoluir, existindo a necessidade de medir a forma como os sistemas
poderiam intercambiar dados simples [40].
A palavra "Interoperar" implica que um sistema execute uma operação para um outro sistema [38].
Tal já afirmava Vernadat (1996) que a interoperabilidade é a capacidade dos sistemas se comunicarem
com outros sistemas e acederem a funcionalidade de ambos. [41]
20
Segundo o IEEE Standard Dictionary of Electrical and Electronics Terms, a interoperabilidade traduz-se
na “capacidade de dois ou mais sistemas ou componentes trocarem informações e utilizarem a
informação que foi trocada [42].
De uma forma mais simplificada, mas seguindo a mesma opinião, o Oxford Dictionary define
interoperabilidade como a “capacidade de sistemas informáticos ou software trocarem e fazerem uso
de informações” [43].
Já numa perspetiva mais técnica e detalhada o Glossário da Sociedade de Informação, acrescenta um
outro aspeto necessário para a existência da interoperabilidade. Este define a interoperabilidade como
a “capacidade de comunicar, de executar programas ou de transferir dados entre várias unidades
funcionais, graças à utilização de linguagens e de protocolos comuns, exigindo poucos ou mesmo
nenhuns conhecimentos do utilizador sobre as características específicas dessas unidades” [44].
Através de uma vasta pesquisa à procura do entendimento do conceito de interoperabilidade, é
possível observar que algumas definições apresentam um carácter mais genérico e outras um carácter
mais abrangente.
Na verdade, em todas as definições apresentadas até ao momento, existe uma ideia fundamental para
o entendimento deste conceito, ou seja, dois sistemas são considerados interoperáveis se
conseguirem trocar algo entre si, entenderem o que o foi trocado e conseguirem de certa forma utilizar
o que receberam para executar alguma funcionalidade esperada pelo sistema solicitador.
2.3.2 Ideias subjacentes ao Conceito de Interoperabilidade
Um outro fator importante sobre a interoperabilidade está relacionado com os níveis, perspetivas ou
dimensões a que esta pode estar associada, para garantir que os sistemas de informação se
mantenham interoperáveis [45]. O European Interoperability Framework (EIF) fornece recomendações
e define padrões gerais em relação aos aspetos organizacionais, semânticos e técnicos da
interoperabilidade. Existem, portanto, três níveis essenciais de interoperabilidade, o nível técnico, o
nível semântico e o nível organizacional, tal como retrata a Figura 1 [38].
21
Figura 2 - Níveis de Interoperabilidade Fonte: [46]
• Interoperabilidade Organizacional
Os aspetos organizacionais da interoperabilidade lidam diretamente com os objetivos e processos
de negócio tentando alinhá-los de forma a estabelecer comunicação com outras organizações ou
sistemas que, eventualmente possuam estruturas e processos internos diferentes e que desejam
trocar informações. Além disso, é da responsabilidade da interoperabilidade organizacional
atender aos requisitos do utilizador e disponibilizar serviços acessíveis e de fácil utilização.
Por outras palavras, é a capacidade das organizações ou sistemas prestarem serviços uns aos
outros [46].
• Interoperabilidade Semântica
Os aspetos semânticos da interoperabilidade abordam questões relacionadas com a integração e
consistência dos dados de forma a suportar a partilha da informação.
É definido como sendo a capacidade de partilhar, agregar ou sincronizar dados provenientes de
sistemas heterogéneos. Este nível da interoperabilidade semântica é muito complexo devido à
variedade de bases de dados existentes, à sintática e semântica da informação a ser trocada, as
várias interpretações que podem ser feitas a conceitos iguais, a inconsistência nas estruturas,
entre outros fatores [46].
22
• Interoperabilidade Técnica
Os aspetos técnicos da interoperabilidade fornecem as bases técnicas aos sistemas, ou seja,
fornece os protocolos de transferência – HTTP / HTTPS, SMTP, MIME, JMS ou SOAP em TCP / IP –
formatos neutros, preferencialmente XML e sistemas de segurança necessários para facilitar
facilitam a comunicação e a troca de dados entre os sistemas. Este é o aspeto mais avançado da
interoperabilidade e aquele que evolui rapidamente devido ao rápido avanço técnico em vários
campos das tecnologias de informação [46].
Assegurar a plena interoperabilidade entre sistemas exige uma grande responsabilidade a todos os
níveis, é necessário um ambiente organizacional estável e bem definido, uma interoperabilidade
semântica em concordância com os dados a serem trocados e um nível técnico capaz de proteger os
dados e possibilitar a sua transferência. Só assim, será possível estabelecer a interoperabilidade entre
duas entidades diferentes. É necessário alcançar uma harmonização entre os sistemas de informação
e o sistema do mundo real para se atingir o objetivo esperado.
Barreiras à Interoperabilidade
A interoperabilidade também possui as suas barreiras e preocupações, quer a nível organizacional,
tecnológico e concetual (semântico) [38]. O termo barreira pretende dar a entender que existe alguma
incompatibilidade que obstrui a partilha e troca de informações.
As barreiras organizacionais lidam com as incompatibilidades entre as estruturas organizacionais e a
forma de gerir a empresa ou sistemas gestão. As estruturas organizacionais refere-se ao estilo pelo
qual a responsabilidade, a autoridade e a tomada de decisões são organizadas. A responsabilidade
procura perceber quem é o responsável por cada processo, dados, software ou computadores. Já o
conceito de autoridade traduz a ideia de quem é que está autorizado a fazer o quê, como é o caso de
criar, modificar, armazenar dados, processos e serviços [47].
De certa forma, é o fator humano que pode criar obstáculos à interoperabilidade de nível
organizacional, ou seja, a forma como este lida com a gestão da mesma.
As barreiras concetuais, por sua vez, lidam com as incompatibilidades sintáticas e semânticas das
informações a trocar. Esses problemas estão relacionados com a modelação de abstração de alto nível,
bem como com o nível de programação utilizado. No que respeita à sintática e à semântica estas
podem ser detetadas sempre que diferentes utilizadores ou sistemas utilizem formas diferentes para
representar a informação [47].
23
As barreiras tecnológicas, como o próprio nome indica, estão relacionadas com a utilização de
computadores ou tecnologias de informação. Estas barreiras podem ser incompatibilidades de
arquitetura, plataformas, infraestrutura, sistemas operacionais, entre outros. Do ponto de vista
técnico, estes problemas podem estar associados à incompatibilidade dos protocolos utilizados na
troca dos dados, nas ferramentas para codificar a informação que está a ser trocada e a utilização de
diferentes plataformas de middleware incompatíveis. Por vezes, o simples facto das tecnologias de
informação possuírem versões diferentes gera problemas de interpretação na receção aos dados
transferidos [47].
Preocupações com a Interoperabilidade
A interoperabilidade é o elemento chave para a visualização da cooperação entre organizações e o
sucesso na transferência de informações. Embora a sua implementação seja uma mais valia para o
funcionamento do sistema, organização ou produto, existem várias preocupações no que diz respeito
à sua construção, principalmente em relação aos parâmetros dos dados, processos, negócios e serviços
[38].
• Interoperabilidade dos Dados
Como a semântica dos dados é um obstáculo, a interoperabilidade dos dados procura tratar,
encontrar e partilhar informações de fontes de dados heterogéneas com linguagens distintas. A
vantagem desta preocupação é que assim, será possível enviar os dados para diferentes máquinas
com sistemas operacionais e bases de dados diferentes [48].
• Interoperabilidade de Serviços
A interoperabilidade de serviços estabelece preocupação em termos de identificação e estrutura
das várias aplicações que vão Interoperar dados. Desta forma, existe a necessidade de resolver as
diferenças sintáticas entre aplicações e funções da empresa, bem como as conexões com as bases
de dados heterogéneas [48] [38].
• Interoperabilidade de Processos:
A principal necessidade da interoperabilidade nos processos está centrada em criar mecanismos
capazes de fazer com que vários processos de negócios de empresas distintas funcionem juntos.
Um processo é responsável por definir uma sequência de serviços ou funções de acordo com as
responsabilidades da empresa. O objetivo será então criar um processo comum às duas empresas
através da conexão dos processos internos [48].
24
• Interoperabilidade do Negócio:
A interoperabilidade de negócio preocupa-se com a forma de como são tratados os modos da
tomada de decisão, os métodos de trabalho, as legislações, a cultura da empresa e as abordagens
comerciais em relação ao nível organizacional. Procura-se assim, estabelecer de forma harmoniosa
o negócio existente entre empresas para que possam ser desenvolvidos e partilhados mais
facilmente a informação necessária [48].
Abordagens da Interoperabilidade
Segundo a norma ISO 142548, adotada para definir o contexto das interoperações [49], o importante
é identificar as barreiras e as preocupações da interoperabilidade, pois são estas dimensões que
constituem o espaço problemático que se impõe à interoperabilidade. Posto isto, e depois de
identificadas as barreiras e preocupações, surgem as três abordagens de interoperabilidade que
propõem uma solução que permite relacionar as entidades ou sistemas para estabelecerem
interoperações [38].
• Abordagem Integrada
Esta abordagem defende que existe um formato comum para todos os modelos [50], ou seja, o
padrão internacional deve ser acordado por todas as partes envolvidas de forma a elaborar
modelos e criar sistemas comuns.
• Abordagem Unificada
Esta abordagem possui um formato comum, contudo apenas para um determinado nível. Este
formato não é uma entidade executável, como é o caso da abordagem integrada [50]. Fornece
apenas um meio para a equivalência semântica, de forma a permitir o mapeamento entre os
modelos ou sistemas. É possível que com esta abordagem possa existir uma pequena perda de
informação.
• Abordagem Federada
Estas abordagem não impõe nenhum formato comum, isto implica que nenhum dos sistemas pode
impor os seus modelos, idiomas ou métodos de trabalho [50]. Significa então que devem partilhar
as suas metodologias para mapear conceitos a nível semântico [38].
25
2.3.3 Interoperabilidade vs. Integração
Uma vez esclarecido o conceito de interoperabilidade, bem como os seus fundamentos, convém
abordar o último fator relativo a este capítulo. É importante mostrar a diferença entre
interoperabilidade e integração, pois este último termo tem contribuído para a ambiguidade da
interoperabilidade, pois são utilizados de forma indiferenciada como se fossem sinónimos.
Normalmente, a integração é considerada como algo para além da interoperabilidade, uma vez que,
ao contrário da interoperabilidade, a integração envolve uma certa dependência funcional dos
componentes envolvidos [51]. Ou seja, um sistema integrado perde funcionalidades significativas se o
fluxo de serviços for interrompido, já os sistemas interoperáveis funcionam de forma independente.
Li e Williams (2004) definiu integração como sendo a coordenação de todos os elementos, incluindo
negócios, processos, pessoas e tecnologia da empresa, trabalhando em conjunto, a fim de alcançar o
cumprimento da sua missão [46].
De acordo com o dicionário de Cambridge, a integração envolve o processo de combinar duas ou mais
coisas numa só [52].
Segundo o dicionário IEEE, a integração pode ser definida como “processo de combinação de
componentes de software, componentes de hardware ou ambos num sistema geral" [53].
A diferença entre estes dois termos pode ser facilmente esclarecida, através da Tabela 1 que resume
e sintetiza os adjetivos que caracterizam cada um dos dois termos.
Tabela 2 - Características da Interoperabilidade e Integração (Adaptado de [53]
Interoperabilidade Integração
Coexistência Unificação
Autonomia Assimilação
Fraca Dependência Forte Dependência
A interoperabilidade está associada à coexistência, à autonomia e à fraca dependência, enquanto que
a integração está mais focada para a unificação, assimilação e forte dependência.
Ao contrário do que acontece na integração, onde as ligações entre as entidades são rígidas e fixas, na
interoperabilidade as ligações entre as várias entidades são mais flexíveis, fáceis de estabelecer e
alterar. Por este mesmo motivo é que a interoperabilidade assume um papel importante em
ambientes complexos e incertos, cujos atores e relações estabelecidas são imprevisíveis e dinâmicas
[53]. Assim se conclui que a integração de sistemas deve, necessariamente, ser interoperável, mas os
sistemas interoperáveis não precisam ser integrados [51].
26
2.4 Arquiteturas
A abordagem ao tema das arquiteturas constitui o conceito central deste projeto de mestrado. Como
tal, será importante abordar os fundamentos e conceitos que lhe estão associados como forma de os
tornar claros e percetíveis. Num primeiro momento será interessante analisar o conceito de
arquitetura em termos histórico para ter uma perceção de quando é que surgiu este conceito. Num
segundo momento, convém esclarecer o significado que o termo arquitetura pode representar nas
várias áreas profissionais. Depois de clarificados estes dois temas, é fundamental entender a razão
pela qual é importante a construção de uma arquitetura. Como último momento, aí sim, serão
descritas e apresentadas as várias arquiteturas existentes, da qual uma será utilizada para a
concretização do terceiro objetivo desta dissertação.
2.4.1 Conceitos e Fundamentos
Historicamente, a palavra arquitetura provém do tempo dos Egípcios, há mais de 4000 anos, com o
aparecimento das pirâmides. Já na altura, a arquitetura desenvolvida para a construção das pirâmides
era caracterizada como sendo complexa, uma vez que a ambição e as inter-relações entre elementos
arquiteturais aumentava muito rapidamente e havia a necessidade de fazer sempre melhor [1].
Milénios depois, começam a surgir os avanços tecnológicos na construção naval que deram origem a
novos campos, como a engenharia naval e a arquitetura naval (construção de navios). Já no final do
século XIX, verificou-se um rápido avanço nas áreas da aerodinâmica, química, materiais, energia
elétrica, comunicação, vigilância, processamento de informações e software que resultaram em
sistemas cuja complexidade é novamente esmagadora após novos métodos e paradigmas [1]. Um
sistema pode tornar-se mais complexo devido ao aumento da quantidade de dados, variáveis, ou do
número de campos envolvidos no design.
Atualmente, a palavra “Arquitetura” ainda está muito associada ao senso comum, ou seja, “é a arte de
planear, projetar e construir edifícios” [55]. No entanto, de acordo com a terminologia da engenharia
de sistemas, uma arquitetura é uma estrutura que possui componentes, conexões e configurações de
um produto, processo ou elemento [54].
Ainda assim, pode ser definida como uma "prática recomendada como a organização fundamental de
um sistema, incorporado em seus componentes, suas relações entre si e com o meio ambiente, e os
princípios que regem seu design e evolução" [56].
As arquiteturas são importantes na medida em que, ajudam a garantir o desempenho, a confiabilidade,
a portabilidade, a escalabilidade e a interoperabilidade de um sistema [57]. Além disso, fornecem
comunicação entre as partes interessadas, capturam antecipadamente decisões de design, definem
27
restrições à implementação, estabelecem uma estrutura organizacional, permitem raciocinar e gerir
as mudanças e ajudam na evolução de um protótipo futuro [4]. Como já dizia Linda Northrop (2003):
“A arquitetura certa pavimenta o caminho para o sucesso do sistema.” [59].
2.4.2 Arquiteturas de Software
Foi em 1990 que o termo de arquitetura de software ganhou importância [60] com o intuito de fazer
a ligação entre requisitos e implementação (Figura 3).
Figura 3 - Objetivo da Arquitetura de Software [3]
A arquitetura de software preocupa-se com o estudo de padrões de organização do sistema,
componentes de software, as suas relações e os modelos de interação. Aborda também as
propriedades gerais do sistema em altos níveis de abstração e de múltiplas perspetivas, como a
estrutura, o controlo e os dados [61].
Por outras palavras, “a arquitetura de software de um sistema de computação é a estrutura ou
estruturas do sistema, que compreendem elementos de software, as propriedades externamente
visíveis desses elementos e as relações entre eles " [62].
Entende-se por componentes todos os elementos computacionais que em conjunto formam
a arquitetura [63]. Ou seja, os componentes são tipicamente objetos, threads ou processos
[64]. Os conectores descrevem a interação entre os componentes.
Em relação aos modelos ou abordagens existentes para apoiar o projeto de arquitetura de software
existe o RSEB, o FAST,o FORM,o Kobra, o QADA [10] e o modelo das três camadas.
28
Modelo em Três Camadas
Na última década, os sistemas de TI passaram de sistemas monolíticos baseados em mainframes para
sistemas cliente / servidor, onde a interface gráfica do utilizador está localizada no cliente, enquanto
a parte lógica de negócios e o armazenamento de dados principais estão localizados no servidor.
O modelo de representação sob a forma de três camadas permite estabelecer uma separação entre a
camada lógica e a camada física. Desta forma, o sistema arquitetural fica mais flexível de forma a que
os componentes possam ser alterados de forma independente. Este modelo tornou-se numa
arquitetura de referência para sistemas de software baseados na Web.
As três camadas distintas deste modelo denominam-se de: camada Cliente, camada de Negócio e
camada de Dados (Figura 4) [11].
Figura 4 - Modelo de Três Camadas [11]
Camada Cliente – O primeiro nível corresponde à interface do cliente, ou seja, nesta camada
faz-se a gestão de entrada e saída de dados. Esta camada tem intenção de oferecer ao cliente
uma interface que lhe permita aceder a qualquer funcionalidade do sistema. Possui
componentes HTML necessários para a recolha de informação recebida e exibição de
informações, recebidas pela camada de negócio [12]
Camada Negócio – A camada de negócio ou camada lógica é a camada intermédia que faz
ponte entre a interface do utilizador e a base de dados, escondendo os detalhes técnicos do
utilizador. Esta camada possui servidores que recebem solicitações da camada anterior,
interpretando os pedidos e controlando o fluxo de trabalhos de acordo com regras pré-
definidas [12].
29
Camada Dados – A camada de dados é responsável por modelar e armazenar informações
necessárias ao sistema, de forma a otimizar o acesso aos mesmos [12]. É que aqui que o data
warehouse, base de dados e sistema de armazenamento de ficheiros da empresa residem.
2.4.3 Arquiteturas Lógicas
Uma arquitetura lógica pode ser considerada como uma visão de um sistema composto por um
conjunto de abstrações específicas do problema que suportam requisitos funcionais [68]. A
abordagem que apoia a arquitetura lógica ó método aplicacional Four Step Rule Set (4SRS) [65].
A versão convencional do método 4SRS permite derivar a arquitetura lógica diretamente a partir de
requisitos funcionais modelados em diagramas de caso de uso, sendo normalmente aplicado em
projetos de grande escala. Adicionalmente, este método é validado cientificamente noutras vertentes,
como refinamentos de arquiteturas, linhas de produtos de software com suporte à variabilidade,
modelos de dados operacionais, arquiteturas orientadas a serviços e principalmente, no contexto
deste projeto, para fornecer contexto à especificação de requisitos de produtos de software com base
na definição de processos e atividades [69].
A arquitetura lógica pode ser encarada como uma visão de um sistema composto por um conjunto de
abstrações de problemas específicos que suportam os requisitos funcionais3. Existem abordagens a
arquiteturas de processo, como a visão de Browning et al [70] que a refere como a distribuição das
atividades e as suas interfaces num processo, e Winter e Fischer [71] que a refere como uma
organização do desenvolvimento, criação e distribuição de serviços no contexto organizacional.
É um método utilizado para transformar os requisitos resultantes da modelação do processo de
rastreabilidade numa arquitetura lógica.
30
3. TRABALHO REALIZADO ATÉ AO MOMENTO
3.1 Caracterização do SmartBeat
O SmartBeat é um sistema de saúde eletrónica (e-health) e foi desenhado para recolher informação
fisiológica do doente, utilizando um sistema de sinais vitais, uma aplicação smartphone integrada com
um sistema de monitorização, uma unidade de inferência médica e um portal de cuidadores,
permitindo uma resposta rápida ao doente. A Figura 3 representa esquematicamente a estrutura do
sistema SmartBeat.
Figura 5 - Estrutura Resumida do SmartBeat
A estrutura do projeto SmartBeat é composta por quatro componentes essenciais, os Vital Signs
System (VSS), o SmartBeat Companion (SBC), o Caregivers Portal (CGP) e o Inference Unit (MIU). Cada
um destes componentes é fundamental para que o projeto SmartBeat se torne concretizável e através
da Tabela 1 é possível verificar com detalhe cada uma destas estruturas.
31
Tabela 3 - Descrição da Estrutura do SmartBeat
Estrutura Designação Descrição
VSS Vital Signs
System
• Sistema de medição dos sinais vitais.
• Faz medições ao longo do dia.
• Mede o peso corporal, a pressão sanguínea, a saturação do oxigénio e a frequência cardíaca.
• Os aparelhos de medição são fáceis de usar, não invasivos e podem ser utilizados pelo paciente de forma autónoma.
SBC SmartBeat
Companion
• Aplicação desenvolvida pela Fraunhofer3 para uso do paciente.
• Meio de interação entre paciente e médico, ou seja, o paciente recebe mensagens do médico, lembretes de medicação e de medição dos sinais vitais.
MIU
Medical
Inference
Unit
• Componente de inteligência que processa todos os dados adquiridos.
• Está localizado em servidores Amazon.
• Possui uma base de dados com a medicação do doente.
• Possui um sistema inteligente que quando alguma regra é quebrada pelo paciente, o cuidador formal recebe logo um alerta.
• Possui um motor de busca, que pode ser programado de acordo com o que o médico pretender enviar ao doente diariamente.
CGP Caregivers
Portal
• Portal Web para os cuidadores formais e informais.
• Permite uma monitorização sistemática, simples e rápida dos pacientes.
• Apresenta os valores das medições dos pacientes de maneira a que os cuidadores consigam seguir o comportamento do paciente.
• Permite enviar mensagens de alerta para o paciente, lembretes de medicação e alterações na rotina.
3 https://www.fraunhofer.pt/pt/fraunhofer_portugal/about_us.html
32
Tabela 4 - Dispositivos de Monitorização do SmartBeat utilizados no VSS
Dispositivos Parâmetros Físicos Medidos Ícone
Pulseira Mio Fuse
Transmite informação contínua sobre:
• Frequência Cardíaca
• Ritmo Cardíaco
Sincroniza periodicamente:
• Passos dados ao longo do dia
• Médias
Balança Mede o peso
Oxímetro Mede a Saturação do Oxigénio no Sangue
Tensímetro Mede a Pressão Sanguínea ou Pressão Arterial
3.2 Arquitetura do SmartBeat
A arquitetura SmartBeat está representada pela Figura 2 e como foi anteriormente demonstrado, está
dividida em quatro estruturas principais: o VSS, o SBC, o MIU e o CGP. Cada uma destas estruturas é
caracterizada por possuir vários componentes que se inter-relacionam por forma a transmitirem toda
a informação relevante entre a aplicação do paciente e o portal dos cuidadores.
33
Figura 6 - Arquitetura Ilustrativa do SmartBeat
Cada estrutura que compõe a arquitetura SmartBeat possui vários componentes que incorporam a
função de tentar transmitir, programar, armazenar e analisar a informação que sai dos medidores de
sinais de vitais e vai parar aos portais dos cuidadores e ao próprio histórico da aplicação do paciente.
Nas várias tabelas, a seguir representada, são apresentados e descritos todos os componentes
presentes na arquitetura.
Tabela 5 - Descrição dos Componentes Presentes na Estrutura VSS
Estrutura Componentes Funcionalidade
VSS
Balança
Todos estes aparelhos são utilizados pela estrutura VSS para realizar a medição dos sinais vitais do doente com IC. Possuem sensores que mais tarde serão enviados via Bluetooth para o uma espécie de base de dados existente no Vigisense SDK.
Oxímetro
Medidor de Tensão Arterial
Pulseira Mio Fuse
34
Tabela 6 - Descrição dos Componentes Presentes na Estrutura SBC
Estrutura Componentes Funcionalidade
SBC
APP Fraunhofer
O SBC é da responsabilidade da Fraunhofer. A interface com um dos portais também está incorporada no código da Fraunhofer. A autenticação da aplicação é feita com base no portal em utilizado.
Vigisense SDK
O Vigisense SDK está incorporado no código desenvolvido pela Fraunhofer, ou seja, faz parte da aplicação SmartBeat Companion. Este Vigisense é responsável por fornecer APIs para a troca de mensagens com os sensores para recolha dos dados. Possui uma base de dados onde são armazenados temporariamente os dados recolhidos, que posteriormente são enviados para a Cloud da Google. As mensagens trocadas estão em formato JSON.
Tabela 7 - Descrição dos Componentes Presentes na Estrutura MIU
Estrutura Componentes Funcionalidade
MIU
Vigisense Server
Este Vigisense Server fornece APIs que fornecem um canal de comunicação visando a recolha de dados armazenados na Cloud (Google), para fornecimento das bases de dados estruturadas de cada portal.
Business Rules &
Notification
Engine
O Business Rules e Notification Engine contém todas as regras de negócio definidas pelos médicos, como por exemplo, intervalos de valores dos parâmetros medidos pelos pacientes e quantidades de medicação a tomar. Através da definição dessas regras é possível depois também definir mensagens pré-definidas, ou seja, os alertas diários que o paciente vai receber, como é o caso dos alertas de valores anormais dos parâmetros medidos, medicação e dos alertas para realização de medições. O alerta de valores de parâmetros medidos fora do normal são enviados ao cuidador informal e médicos.
Patient DB &
Structured
Measurement
DB
É uma base de dados estruturada que contém dados relativos ao paciente, registo histórico, medicação atual, medições recebidas dos sensores, entre outros fatores.
Knowledge Base
Como o nome indica, é uma base de conhecimento que representa mecanismos capazes de usar fórmulas ou regras estipuladas para realçar inconsistências nos valores obtidos das medições dos pacientes.
Semantic Search
Engine
Procura melhorar a precisão da pesquisa, entendendo qual a intenção dos cuidadores. Consegue selecionar quais os dados mais relevantes de acordo com o pretendido pelo cuidador.
35
Application
Esta aplicação representa a interface ou ligação entre o CGP e o MIU. É uma base de dados estruturada, que já deve ter processadas regras.
Tabela 8 - Descrição dos Componentes Presentes na Estrutura CGP
Estrutura Componentes Funcionalidade
CGP
Life on Key
e
Remedus
As duas entidades possuem um portal e fazem gestão da informação da saúde. Têm todos a mesma interface, adicionalmente o Life on Key, tem como motor de regras fazer análise de alguns dados de saúde, como por exemplo emitir alertas, ou sms, ou mandar alertas ao paciente, possibilitando a cada utente e ao seu médico acostumarem-se a situações de alerta e a situações fora do comum relacionadas com a patologia. A Remedus, por sua vez possui regras mais formais, mais fixas no seu portal e seriam mais estudadas por grupos de médicos. A Remedus não possui os componentes Knowledge Base nem Semantic Search Engine.
Em termos de armazenamento, todos os dados obtidos das medições dos dispositivos VSS são
armazenados numa Cloud da Plataforma da Google. Esta possui três blocos denominados de RAW,
Struct e ANON que estão descritos na Tabela 7.
Tabela 9 - Armazenamento dos Dados Obtidos da Estrutura VSS
Armazenamento Bloco Funcionalidade
Cloud da
Plataforma da
RAW
Armazena dados não tratados. Recebe todos os valores obtidos através das medições, sem os tratar e organizar.
Struct
Armazena dados estruturados, ou seja, contém os dados calculados depois de analisados, filtrados e manipulados. Por exemplo contém a média, a moda e o histórico dos valores obtidos ao longo dos dias.
ANON
Armazenamento de dados anónimos, ou seja, são dados necessários para a elaboração de relatórios gerais de stakeholders que necessitam de uma visão estatística dos dados gerados e que não possuem função de cuidador, ou seja, não podem ter acesso ao nome do paciente.
36
4. PLANEAMENTO PARA TRABALHOS FUTUROS
Este capítulo apresenta o plano de atividades a realizar ao longo da dissertação. O plano foi elaborado
de acordo com as seis fases da abordagem metodológica DSR, as diferentes etapas de entregas da
dissertação e os objetivos. É então apresentada uma calendarização (Figura 5), bem como a
identificação das tarefas, algumas já realizadas e outras que ainda serão realizadas futuramente. Em
termos de cores, cada tarefa é associada a uma fase, contudo, as tarefas a cinzento são aquelas que
estão inseridas em várias fases devido à sua importância e necessidade.
Figura 7 - Planeamento das Tarefas ao longo da Dissertação
Descrição e identificação das tarefas já realizadas:
• Tarefa 1 (T1): Elaboração do Plano de Trabalho
• Tarefa 2 (T2): Identificação do Problema e Motivação
• Tarefa 3 (T3): Identificação dos Objetivos
• Tarefa 4 (T4): Elaboração do Estado da Arte
• Tarefa 5 (T5): Elaboração do Documento de Pré-Dissertação
As tarefas a seguir apresentadas fazem parte da Fase 3 (Design e Desenvolvimento)
• Tarefa 6 (T6): Elaborar Levantamento de Requisitos do “AS IS” do SmartBeat
• Tarefa 7 (T7): Estudo das aplicações/sistemas de telemonitorização
• Tarefa 8 (T8): Identificação da nova funcionalidade do SmartBeat
• Tarefa 9 (T9): Elaborar Levantamento de Requisitos do “TO BE” do SmartBeat Plus
• Tarefa 10 (T10): Conceber uma Arquitetura Lógica
• Tarefa 11 (T11): Conceber Arquitetura em 3 Camadas
• Tarefa 12 (T12): Conceber Arquitetura de Sistemas com componente interoperabilidade,
acoplamento e coesão.
Tarefas a elaborar nas três últimas Fases (Demonstração, Avaliação e Comunicação):
• Tarefa 13 (T13): Elaborar Conclusões Finais
37
• Tarefa 15 (T15): Revisão do documento do Projeto de Dissertação
• Tarefa 16 (T16): Entrega do Projeto de Dissertação
As tarefas seguintes estão inseridas ao longo de várias fases devido à sua necessidade em todas elas:
• Tarefa 4 (T4): Elaboração do Estado da Arte
• Tarefa 14 (T14): Elaboração do documento do Projeto de Dissertação
38
5. CONCLUSÃO
A dissertação de mestrado a desenvolver está inserida num projeto de investigação relacionado com
a telemonitorização da Insuficiência Cardíaca, uma síndrome que tem vindo a aumentar na população
mundial, entre eles em Portugal. Posto isto, é urgente encontrar algo que consiga diminuir o número
de internações hospitalares e consequente morte do doente, permitindo-lhe assim uma maior
qualidade de vida. Como a tecnologia ao redor da medicina tem evoluído a olhos vistos, através da
introdução de sensores remotos (m-health) e plataformas e serviços eletrónicos (e-health), torna-se
primordial inserir estes conceitos num projeto para a monitorização da Insuficiência Cardíaca.
Surge então, o sistema de telemonitorização SmartBeat, já desenvolvido por vários grupos de
investigação que, atualmente o pretendem evoluir para um sistema de telemonitorização SmartBeat
Plus, ou seja, mais robusto, com mais funcionalidades que ajudem tanto o profissional de saúde como
o próprio paciente.
Surge por isso, esta dissertação de mestrado, cujo tema engloba a conceção de Arquiteturas de
Interoperabilidade de Sistemas de Informação na Área da Saúde. Neste sentido, o objetivo é, através
das tecnologias existentes propor uma nova funcionalidade, relacionada com técnicas de Data Mining
e Machine Learninig e conceber a sua arquitetura de interoperabilidade de sistemas. Esta arquitetura
será o principal contributo para o projeto de telemonitorização, no sentido em que vai construir um
sistema novo capaz de acrescentar ainda mais valor ao sistema já existente (SmartBeat). Contudo, até
chegar à elaboração da arquitetura final é fundamental iniciar o trabalho com uma revisão de literatura
ou estado da arte relacionado com a doença e com os sistemas de informação existentes atualmente
e que suportam a área médica. Esta etapa é muito importante, pois é dela que surgirão novas ideias
para cumprir com o objetivo esperado. Depois de elaborar o estado da arte relativo à saúde e
tecnologia, chega a vez de dar inicio aos termos de interoperabilidade e arquiteturas, pois convém
desde já definir os tipos de arquiteturas a desenvolver recorrendo a referenciais e normas existentes.
O estado da arte contido neste documento foca exatamente todos estes pontos referidos então.
Em relação ao trabalho já desenvolvido até ao momento, no capitulo três, é possível verificar que já
está a ser feito um levantamento de requisitos ao sistema SmartBeat, onde consta a estrutura, os
componentes, os sensores utilizados e a descrição da arquitetura.
A duração prevista desta dissertação é de mais oito meses, ou seja, terminará em outubro, como é
possível observar no plano de trabalhos elaborado no capitulo quatro que para além da calendarização
descreve as tarefas que ainda faltam elaborar para atingir o objetivo final proposto no início deste
documento.
39
Futuramente, pretende-se estender ainda mais o estado da arte, pois alguns temas ainda não foram
abordados a fundo, como é o caso da interoperabilidade, que falta aprofundar os sistemas
interoperáveis na área da saúde e as normas utilizadas. Será também aprofundado o tema das
Arquiteturas, detalhar e caracterizar todos os modelos existentes para apoiar as arquiteturas de
software, acrescentar mais detalhes à cerca das arquiteturas lógicas e dar início ao novo termo de
arquitetura de sistemas que neste documento de pré-dissertação ficou por analisar.
41
6. REFERÊNCIAS
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47
ANEXO I – GLOSSÁRIO MÉDICO
Anamnese: Conjunto de informações dadas pelo paciente ao médico, mediante um
interrogatório, sobre o seu passado e a história da sua doença.
Arritmia: Alteração do ritmo regular e normal das pulsações do coração de qualquer outro
fenómeno orgânico rítmico. Incluem-se nas arritmias diversos tipos de perturbações que
alterem os batimentos cardíacos, como taquicardia e fibrilação auricular ou ventricular.
Caquexia: Estado de extrema fraqueza devido a doença prolongada (cancro, anemia,
tuberculose, etc.) ou a grande desnutrição por alimentação deficiente.
Congestão Pulmonar: Condição em que há um excesso de sangue acumulado nos alvéolos
pulmonares.
Dispneia: Dificuldade em respirar, muitas vezes acompanhada de opressão torácica e mal-
estar. A dispneia pode ser devida a diversas causas que impeçam uma perfeita oxigenação
sanguínea: as que comprometem a transferência do oxigénio dos pulmões para o sangue; as
que dificultam a circulação do sangue para os pulmões; e as que são devidas a perturbações
do centro respiratório cerebrais.
Edema: Infiltração de liquido nos tecidos do organismo, que produz inchaço.
Eletrocardiograma (ECG): Exame que representa graficamente o funcionamento do coração,
baseado nas variações do potencial elétrico, nas contrações e descontrações do miocárdio.
Fadiga: Sensação de cansaço sentido no corpo ou em parte do corpo, após esforço exagerado.
Fibrilhação: Contração anormal, não coordenada, de uma fibrilha muscular (miofibrilha) do
coração, do diafragma ou de outras estruturas musculares e que é caracterizada por várias,
irregulares e sucessivas contrações seguidas de relaxamento. A Fibrilhação Auricular é a
contração anormal da aurícula cardíaca em que feixes de miofibrilas se contraem de forma
48
anárquica e independentemente do estímulo cardíaco fisiológico, o que pode suceder em
várias situações patológicas. A Fibrilhação dos Ventrículos cardíacos (Fibrilação Ventricular) é
causa de uma arritmia muito grave de etiologia diversa, que pode provocar a morte por
paragem cardíaca.
Frequência Cardíaca: Número de batimentos do coração na unidade de tempo, geralmente
expressa em batimentos por minuto (bpm).
Glicemia: Taxa de glicose no sangue. O valor normal da glicemia situa-se entre 90 a 110 mg/dl.
Pressão Arterial ou Pressão Sanguínea: Pressão exercida pelo sangue em circulação nas
paredes das artérias. Geralmente, é expressa em milímetros ou centímetros de mercúrio.
Pressão Arterial Diastólica: Pressão mais baixa detetada no sistema arterial sistémico,
observada durante a fase de diástole do ciclo cardíaco. É também denominada de pressão
mínima.
Pressão Arterial Sistólica: Pressão mais elevada verificada nas artérias durante a fase de
sístole do ciclo cardíaco, é também chamada de pressão máxima.
Ritmo Cardíaco: Sucessão dos batimentos do coração.
Sinais Vitais: Conjunto de variáveis fisiológicas (pressão arterial, frequência cardíaca,
temperatura corporal, peso, etc.)
SpO2: Determinação do grau de saturação de oxigénio no sangue.
Taquicardia: Pulsação cardíaca muito acelerada (acima das 100 pulsações por minuto).
