Architecture for human health monitoring application development for wireless sensor networks

Tese (doutorado)-Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2009.As tecnologias de microeletrônica e redes de sensores sem fio têm sido empregadas, na área da saúde, visando à obtenção de um conjunto de facilidades, como o monitoramento de saúde de indivíduos e o atendimento domiciliar, que resultem em ganho de produtividade e principalmente em qualidade de serviço. O monitoramento da saúde humana é proposto dentro de um novo paradigma, sendo que o foco principal é o sistema de saúde centrado no indivíduo, fazendo com que a prestação de serviços e a informação em saúde estejam disponíveis onde o indivíduo estiver. Em relação ao indivíduo, o monitoramento acontece à distância e a tomada de decisão pode antecipar o plano de tratamento do paciente dependendo da situação em que se encontre. O ponto principal do monitoramento é uma aproximação pragmática a vários cenários clínicos, hospitalares e móveis, sendo que o indivíduo pode estar em casa dormindo, passeando pelas ruas ou até mesmo em seu local de trabalho. Desta forma é possível monitorar qualquer pessoa em qualquer lugar, desde que se possa interligar, através da rede sem fio, seus dispositivos. Este trabalho apresenta uma arquitetura de um sistema para o monitoramento da saúde humana baseado em uma rede de sensores para o corpo humano (RSCH). Toda a configuração e disposição dos sensores de superfície são realizadas por um profissional de saúde, que analisará o indivíduo à distância por meio de uma rede de comunicação sem fio. A implementação proposta avaliará tanto pacientes quanto pessoas saudáveis que necessitam de um monitoramento contínua e/ou freqüente de qualidade dos sinais fisiológicos. Essa solução tem como base uma arquitetura de fusão de dados capaz de atuar no corpo humano de forma autônoma, realizando o monitoramento com base nos dados/informações recebidos dos sensores até chegar ao nível mais alto (nível de decisão), podendo atuar de forma direta na saúde do paciente em tempo hábil comunicando-se com um médico, uma central de monitoramento, ou uma ambulância. No módulo de decisão desta arquitetura propõe-se uma política de ligar/desligar sensores alternando o seu funcionamento para garantir o maior tempo de vida possível da rede de sensores. A forma como os sensores são alternados baseia-se em uma política de escalonamento utilizando o método de fila circular, uma vez que a troca das baterias pode ser um processo complexo. As contribuições desta tese, no âmbito da aplicação de redes de sensores para a monitoramento do corpo humano são: (i) implementação da arquitetura de fusão de dados (CARVALHO 2003), (ii) linguagem de fusão de dados, (iii) processamento da informação baseado no middleware MiLAN centralizado ou distribuído e (iv) heurística para economia de energia dos nós sensores baseado nos sintomas dos indivíduos. Por fim, para prova de conceito, foi desenvolvido um simulador que integra todas estas funcionalidades. _________________________________________________________________________________ ABSTRACTThe technologies of wireless sensor networks and microelectronics have been employed in the health area, aiming to obtain a set of facilities, such as monitoring the health of individuals and homecare, which result in gains in productivity and especially in quality of service. The monitoring of human health is proposed inside a new paradigm, with the main focus in the health care system focused on the individual, making the provision of health services and information available wherever the individual is. In relation to the individual, the monitoring happens at distance and the decision-making can anticipate the patient's treatment, depending on the situation in which he is. The main point of tracking is a pragmatic approach to various clinical settings, hospitals, and mobile, and the individual may be at home sleeping, walking the streets or even in their workplace. In this way you can track anyone, anywhere, as long as it can connect through the wireless network. This thesis presents an architecture of a system to monitor the human health based on “Body Sensor Networks” (BSN). The whole setup and configuration of sensors on an individual are carried out by a health professional who will examine the individual at distance through the wireless network. The purposed implementation evaluates both, healthy people as patients in need of continuous monitoring and/or frequent quality of physiological signals. This solution is based on a data fusion architecture, capable of acting in the human body on autonomous way, making the tracking based on data/information received from the sensors, reaching the highest level (level of decision), which may take action directly on the patient health, just in time to communicate to a physic, a central tracking, or an ambulance. In this decision module architecture it is proposed a policy of on/off sensors alternating, which can ensure the greatest possible lifetime of the sensor network. The sensors work according to a scheduling policy using a circular queue, since the replacement of batteries can be a complex process. The contributions of this thesis are: (i) implementation of the Architecture of the Data Fusion (CARVALHO, 2003), (ii) The design of a language for data fusion, (iii) processing of information based on the MiLAN middleware, in a centralized or distributing and (iv) A heuristic for the saving energy of the sensor nodes, based on the symptoms of individuals. Finally, all concepts were developed in a simulator that incorporates all these features