Tese de doutoramento em Líderes para as Indústrias TecnológicasGovernmental and private institutions face a major challenge to provide quality
health care to a population consisting of a growing number of elderly and chronically ill
patients. According to the World Health Organization, in 2006, the total global health
expenditures exceeded US$ 4 trillion and are rising in the majority of countries
including Portugal which, during 2006, expended 9.9% of its gross domestic product in
health care.
The use of remote vital signs monitoring systems increases the probability of early
detection of risky situations, allows frequent monitoring of in-patients, elderly and
chronically ill patients, and streamlines the work of health professionals. However, at
present, these systems are expensive, complex and employ obtrusive sensors, which
limit their application to intensive care units and cardiac intermediate care units.
This work is part of a project that aims to design, prototype and evaluate a remote
vital signs monitoring system based on the IEEE 802.15.4 and ZigBee protocols, which
allow the development of small low-power sensors. The prototype system comprises
electrocardiogram/heart rate and axillary thermometer sensors, networking devices and
three informatics applications that collect, process, and exhibit medical data.
The wireless sensors, the networking devices and one of the applications were
developed under this work. Additionally, the wireless sensor network was evaluated
through simulations at the MAC level and experimental and field tests. Field tests were
performed at an in-patient floor of Hospital Privado de Guimarães, a Portuguese
hospital. Finally, questionnaires were used to measure the satisfaction of users and
catalog their critics and suggestions for improvement. Simulations considered different topologies, operation modes and a crescent
number of sensors and hops. Experimental and field tests confirmed most of the results
obtained by simulations, but revealed that networks which did not assign transmission
time slots to electrocardiogram sensors were unable to maintain a high delivery ratio.
Contention between devices, aggravated by the inability of routers in receiving
incoming packets during backoff, and collisions between packets generated by hiddennodes
were responsible for most message losses. On the other hand, beacon-enabled star
IEEE 802.15.4 networks that assigned a guaranteed time slot to sensors were able to
maintain a very high delivery ratio. In contrast, these networks are restricted in terms of
the coverage area and the number of sensors. Also, field tests showed that under low
traffic scenarios ZigBee nonbeacon-enabled networks can achieve a high delivery ratio
even in presence of a high percentage of hidden-nodes.Instituições governamentais e privadas enfrentam um grande desafio para prestar
cuidados de saúde de qualidade a uma população constituída por um número crescente
de idosos e doentes crónicos. Segundo a Organização Mundial de Saúde, em 2006, a
despesa mundial em saúde ultrapassou a quantia de 4 bilhões de dólares americanos e
cresce anualmente na maioria dos países, incluindo Portugal, o qual, em 2006, gastou
9,9% do seu produto interno bruto em cuidados de saúde.
O uso de sistemas de monitorização remota de sinais vitais aumenta a probabilidade
de deteção precoce de situações de risco, permite que doentes internados, idosos ou
doentes crónicos sejam frequentemente monitorizados e agiliza o trabalho dos
profissionais de saúde. No entanto, atualmente, estes sistemas são caros e complexos, o
que limita a sua aplicação a alguns setores dos hospitais, tais como as unidades de
cuidados intensivos e as unidades de cuidados intermédios na área da cardiologia.
O projeto no qual insere-se este trabalho visa a conceção, a prototipagem e a
avaliação de um sistema de monitorização remota de sinais vitais com base nos
protocolos IEEE 802.15.4 e ZigBee, os quais oferecem a possibilidade de construção de
sensores com consumos energéticos muito baixos e reduzidas dimensões. O sistema
consiste em sensores de eletrocardiograma/frequência cardíaca e temperatura axilar,
dispositivos de rede e três aplicações que coletam, processam e apresentam o
eletrocardiograma e os sinais vitais.
No âmbito deste trabalho foram desenvolvidos os sensores sem fios, os dispositivos
de rede e uma das aplicações informáticas. Além disso, foi feita a avaliação do
desempenho da rede de sensores sem fios através da análise de simulações a nível da
camada de acesso ao meio (MAC) e de testes de laboratório e de campo. Os testes de campo da rede de sensores sem fios foram executados em um dos pisos de internamento
do Hospital Privado de Guimarães. Finalmente, foram usados questionários para medir
a satisfação dos utilizadores e recolher críticas e sugestões de melhoria.
As simulações consideraram diferentes topologias e modos de operação, além de
um número crescente de sensores e saltos. Testes experimentais e de campo
confirmaram grande parte dos resultados obtidos por simulação mas, adicionalmente,
revelaram que as redes constituídas por vários sensores de eletrocardiograma e que não
reservaram um intervalo de tempo de transmissão aos sensores não foram capazes de
manter uma elevada taxa de entrega de mensagens. Perdas de mensagens ocorreram
devido a disputas entre sensores pelo acesso ao canal sem fios e devido a ocorrência de
colisões de pacotes transmitidos por nós escondidos. Por outro lado, as redes baseadas
no protocolo IEEE 802.15.4 que atribuíram um intervalo de tempo de transmissão a
cada sensor conseguiram manter uma elevada taxa de entrega. Entretanto, essas redes
são limitadas em termos da área de cobertura e do número de sensores. Adicionalmente,
durante os testes de campo em cenários de tráfego reduzido, as redes ZigBee que não
empregaram beacons atingiram uma elevada taxa de entrega mesmo na presença de uma
grande percentagem de nós escondidos
