cb01 2015, Notas de estudo de Informática

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Computação

Revista da Sociedade Brasileira

de Computação Brasil

01/ 2015

COMPUTAÇÃO

APLICADA À SAÚDE

Conheça as perspectivas e desafios da área a partir da visão dos pesquisadores do INCT-MACC.

COMPROMISSO

EM AVANÇAR

COMO SE ASSOCIAR

Se você deseja renovar a anuidade ou se associar à SBC, confira o valor anual: A anuidade da SBC vale pelo ano fiscal (janeiro a dezembro). Associados da SBMicro têm desconto. EDITORIAL Paulo Roberto Freire Cunha Presidente da Sociedade Brasileira de Computação

C

hegamos a um novo ano orgulhosos pelas conquistas da sociedade brasi leira de computação em 2014, ano em que comemoramos 35 anos de atua ção. Acreditamos que estamos no caminho certo como uma instituição que articula projetos de avanços e estimula a pesquisa, o ensino e o desen volvimento em computação no país. Além disso, nos comprometemos em estar permanentemente atentos às políticas governamentais que afetam as atividades da Computação, considerando possí veis mudanças que podem ser promovidas pelo novo governo federal eleito. Uma das importantes atividades realizadas em 2014 foi o 3º Seminário Grandes Desafios da Computação no Brasil – Fase 2, que aconteceu em setembro na Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e contou com cerca de 140 participantes, dentre eles membros da academia, do governo e profissionais da área. Em breve, será disponibilizado no site da SBC um rela tório sobre o Seminário, importantíssimo para os avanços que pretendemos ter nos próximos anos. Um dos assuntos abordados no encontro é o des taque desta edição da revista Computação Brasil, que é focada no tema “Computação Aplicada à Saúde: Perspectivas e Desafios”, um segmento em franca expansão, que sugere uma atenção redobra da, não só em pesquisa, mas também em forma ção de recursos humanos e desenvolvimento da área nos setores público e privado. INICIAMOS 2015 ORGULHOSOS PELAS CON- QUISTAS DA SOCIEDADE BRASILEIRA DE COM- PUTAÇÃO NO ANO QUE SE PASSOU, QUANDO COMEMOROU-SE 35 ANOS DE ATUAÇÃO DA INSTITUIÇÃO. ACREDITAMOS QUE ESTAMOS NO CAMINHO CERTO, ARTICULANDO PRO- JETOS DE AVANÇOS E ESTIMULANDO A PES- QUISA, O ENSINO E O DESENVOLVIMENTO EM COMPUTAÇÃO NO PAÍS. Efetivo/Fundador Efetivo Associado à ACM Estudante Efetivo Associado à ACM Estudante de Graduação Básico Institucional Assinante Institucional C Assinante Institucional B Assinante Institucional A R$ 150, R$ 135, R$ 58, R$ 45, R$ 14, R$ 912, R$ 5.064, R$ 2.832, R$ 1.488, R$ 160, R$ 145, R$ 62, R$ 50, R$ 15, R$ 970, R$ 5.380, R$ 3.010, R$ 1.580, Categoria Valor pago até 31.12. Valor pago a partir de 01.01.

A Medicina Assistida por Computação Científica Por Raúl Feijóo e Artur Ziviani Realidade Virtual e Aumentada e Suas Aplicações em Saúde Por Jauvane Oliveira e Selan dos Santos A Modelagem e Simulação Computacional do Sistema Cardiovascular Humano - O Modelo ADAN Por Pablo J. Blanco e Raúl Feijóo Desafios e Perspectivas no Desenvolvimento de Sistemas de Informação em Saúde Por Luciana Tricai Cavalini, Antônio Tadeu A. Gomes, Débora Christina Muchaluat Saade e Wanderley Lopes de Souza Imagens Médicas e Técnicas de Aprendizagem: Convertendo Dados em Modelos Por Gilson Antonio Giraldi e Denise Guliato O Uso de Nuvens Computacionais em Apoio à Computação Científica Por Bruno Schulze e Antonio Mury Sistemas de Informação Hospitalares: Progressos e Avanços Por Marco Antonio Gutierrez Da Atenção Hospitalar ao Homecare, Conectando Sistemas e Dispositivos para o Cuidado Contínuo da Saúde Por Carsten Oliver Schirra O Workshop de Informática Médica e a Área de Computação Aplicada à Saúde no CSBC Por Rosa Maria Moreira Costa, Fátima L. S. Nunes, Artur Ziviani e Alessandra Macedo O Pioneirismo do Curso de Informática Biomédica na USP em Ribeirão Preto Por Alessandra Macedo, João Augusto Baranauskas e Evandro Ruiz Índice 6 5 22 10 16 27 34 44 55 49 60 39 Apresentação Computação Aplicada à Saúde Por Artur Ziviani Agenda SBC

AGENDA

VI Computer on the Beach 2015 VI Computer on the Beach 2015 Florianópolis (SC) www.computeronthebeach.com.br/portal/ MARÇO 20 a 22 XI ERBD XI Escola Regional de Banco de Dados (ERBD 2015) Caxias do Sul (RS) ucs.br/site/eventos/xierbd/ ABRIL 15 a 17 XV ERAD-RS XV Escola Regional de Alto Desempenho do Estado do Rio Grande do Sul (ERAD-RS 2015) Gramado (RS) erad2015.inf.ufrgs.br/index.html ABRIL 22 a 24 VIII LAGOS VIII Latin-American Algorithms, Graphs and Optimization Symposium (LAGOS 2015) Beberibe (CE) www.lia.ufc.br/lagos MAIO 11 a 15 XIII AES BRASIL XIII Congresso de Engenharia de Áudio (AES BRASIL 2015) São Paulo (SP) aesbrasil.org/congressos MAIO 25 a 28 XI SBSI XI Simpósio Brasileira de Sistemas de Informação (SBSI 2015) Goiânia (GO) www.inf.ufg.br/sbsi MAIO 26 a 29 CSBC 2015 XXXV Congresso da Sociedade Brasileira de Computação 2015 Recife (PE) www.cin.ufpe.br/~csbc2015/ JULHO 20 a 23 II ELA-ES II Escola Latino Americana de Engenharia de Software (ELA-ES 2015) Porto Alegre (RS) www.inf.ufrgs.br/elaes2015/ JULHO 30 a 3

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IMENSO PROGRESSO DAS TECNOLOGIAS de informação e comunicação (TICs) nas últimas décadas posicionou a computação permeando atualmente diversos campos do conhecimento, causando profundas transformações nas atividades e manei ra de exercício profissional dessas áreas. A área de saúde não é exceção e a computação aplicada a ela encontrase em fran ca expansão, apresentando diversos desafios. Esses desafios se apresentam em diferentes eixos, combinando pesquisa, desen volvimento, formação de recursos humanos e atuação profissio nal nessa área altamente interdisciplinar. Nesse contexto, esta edição especial da Computação Brasil da SBC traz uma visão geral, longe de ser exaustiva, da área de pesquisa e desenvolvimento de computação aplicada à saúde no Brasil, ao longo de 10 artigos curtos. Uma das iniciativas estru turantes dessa área no país é o Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica (INCTMACC – http://macc.lncc.br). O INCT MACC consti tui uma rede colaborativa de pesquisa e desenvolvimento com sede no LNCC envolvendo mais de 120 pesquisadores doutores de diversas instituições presentes em 11 estados da federação. Esse conjunto de pesquisadores possui formação diversificada entre a área tecnológica, como Computação e Engenharias, e a área de saúde, como Medicina. Assim, o INCTMACC forma uma iniciativa de pesquisa com atuação altamente interdiscipli nar em área estratégica para o país. O primeiro artigo desta edição especial recapitula os preceden tes que culminaram na criação do INCTMACC. Em seguida, do segundo ao sexto artigo discutemse, respectivamente, as realizações, perspectivas e desafios da área de computação apli cada à saúde no contexto das cinco principais áreas de atuação APRESENTAÇÃO | Saúde

APRESENTAÇÃO | Saúde do INCTMACC: (i) modelagem e simulação computacional de sistemas fisiológicos complexos; (ii) processamento avan çado de imagens médicas; (iii) aplicação de realidade virtual e aumentada na área de saúde; (iv) sistemas de informação em saúde; e (v) computação distribuída e sua aplicação no suporte à Computação Aplicada à Saúde. Além da apresentação de diversas áreas componentes da Computação Aplicada à Saúde por membros integrantes do INCTMACC, esta edição especial também traz discussões sobre outros temas correlatos à computação aplicada à saúde, tais como formação de recursos humanos, eventos e socieda des científicas da área, além da visão de pesquisa e desenvol vimento na área sob a perspectiva do setor privado. Assim, o sétimo artigo apresenta um breve histórico bem como as atuais tendências do curso pioneiro de graduação em Informática Biomédica na USP em Ribeirão Preto. O oitavo artigo traz uma perspectiva sobre os avanços de Sistemas de Informação Hospi talares e como a Sociedade Brasileira de Informática em Saúde (SBIS) tem atuado no suporte ao desenvolvimento de tais sis temas, promoção da área por meio de organização de eventos, estruturação de processos e definição de certificações. O nono relata como a atividade nacional de pesquisa acadêmica na área de Computação Aplicada à Saúde culminou no estabelecimento e consolidação do Workshop de Informática Médica (WIM), hoje o principal evento científico nacional nessa área. Esse rela to também trata da estruturação a partir da comunidade cientí fica do WIM da Comissão Especial de Computação Aplicada à Saúde (CECAS) da SBC. Finalmente, o décimo artigo apresen ta uma descrição das atividades e perspectivas da Philips Rese arch na área de computação aplicada à saúde. Vislumbrase, portanto, um horizonte promissor e desafiador

O AVANÇO DA COMPUTAÇÃO CIENTÍFICA TEM PROMOVIDO UM DESENVOLVIMENTO SEM PRECEDENTES NA HISTÓRIA DA SOCIEDADE HUMANA. A POPULARIZAÇÃO DO COMPUTADOR PESSOAL, O ADVENTO DA INTERNET, O DESENVOLVIMENTO DA COMUNICAÇÃO SEM FIO, DA COMPUTAÇÃO DISTRIBUÍDA DE ALTO DESEMPENHO, DE BANCO DE DADOS DISTRIBUÍDOS E A SUA MINERAÇÃO GERANDO NOVOS CONHECIMENTOS, DAS TÉCNICAS DE MONITORAÇÃO A DISTÂNCIA, DA VISUALIZAÇÃO CIENTÍFICA, DA REALIDADE VIRTUAL E DA MODELAGEM E SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DE SISTEMAS COMPLEXOS, PERMEIAM ATUALMENTE TODAS AS ATIVIDADES HUMANAS, GERANDO GRANDES E PROFUNDAS MODIFICAÇÕES. por Raúl A. Feijóo e Artur Ziviani ESPECIAL | Saúde A MEDICINA ASSISTIDA POR COMPUTAÇÃO CIENTÍFICA

ESPECIAL | Saúde

N

A MEDICINA, ESTA NOVA REALIDADE teve suas origens no início do Século XX, quando foi chamada de telemedicina (segundo a OMS, “tele- medicina é a provisão de serviços ligados aos cui- dados com a saúde, nos casos em que a distância é o fator crítico. Tais serviços são providos por profissionais da área da saúde, usando tecnologias de informação e comunicação...”). Entretanto, esta definição está atualmente ultrapassada frente às possibili dades que surgem com a utilização das novas tecnologias aci ma mencionadas. Por exemplo, com a modelagem e simulação computacional de sistemas fisiológicos que acoplam, através de múltiplas escalas espaciais (da escala de 1nm para o tama nho do poro nos canais de íons para a escala de 1m para o cor po humano) e temporais (desde 10 6 s típica dos movimentos Brownianos a 10 9 s da vida humana), a bioquímica, a biofísica e a anatomia de células, tecidos e órgãos, é possível conhecer melhor o funcionamento dos mesmos em condições normais ou alteradas por processos patológicos ou procedimentos médi cos fornecendo informações adicionais que contribuem para o melhoramento da diagnose, tratamento e planejamento de di versos procedimentos médicos. Desta maneira, a computação científica gera grandes e profun das modificações na medicina ao permitir: A síntese do diagnóstico por imagem que, acoplada à modelagem e simulação, permite o desenvolvimento de novas técnicas terapêuticas em tempo real para melhorar procedimentos e tratamentos médicos;

(i)

significativamente com relação às capacidades de descrição e predição dos fenômenos mais relevantes que governam a res posta de um determinado sistema fisiológico e sua interação com os outros sistemas que integram o corpo humano, tanto em condições normais como em situações alteradas por doen ças e/ou intervenções humanas (cirurgias, por exemplo). O anterior somado ao vertiginoso aumento do desempenho dos computadores e das máqui nas da aquisição de imagens médicas tem dado lugar ao surgimento de um novo paradigma na medicina: a medicina orientada a paciente específico assistida por computação científica (MACC). Esta quebra de paradigma está asso ciada ao entendimento da ciência no campo da medicina como sendo construída de uma forma mais racional, a partir da combinação de dados clínicos e de imagens médicas com dados obtidos de simulações dos fenômenos físicos subjacentes aos sistemas fisiológicos. O Brasil não ficou ausente frente a estes desenvolvimentos. Pelo contrário e quase que simultaneamente, se inicia no LNCC/ MCTI (www.lncc.br) um vigoroso programa de P&D no campo da medicina assistida por computação científica. Liderado por pesquisadores dos laboratórios HeMoLab (http://hemolab.lncc. br/), MARTIN (http://martin.lncc.br/), LVCRV (http://virtual01. lncc.br/pyimagevis/), ACiMA (http://acima.lncc.br/) e ComCi Dis (http://comcidis.lncc.br), todos sediados na Coordenação de Computação Científica (CCC) do LNCC. Esta liderança em ESPECIAL | Saúde

Os modelos

computacionais

têm evoluído

significativamente

com relação às

capacidades de

descrição e predição

dos fenômenos

mais relevantes que

governam a resposta

de um determinado

sistema fisiológico.

nível nacional levou esses pesquisadores a organizar e coordenar em 2007 o MACCRio integrando em uma rede estadual as mais importantes instituições de P&D em engenharia, computação e medicina do Estado do Rio de Janeiro. Da mesma maneira, levou a organizar em nível nacional uma rede cooperativa e integrada de P&D e FRH formada por 25 laboratórios associados, com sede em 11 estados da federação, que culminou no Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica (INCTMACC, http://macc.lncc.br/), aprovado pelo CNPq em Novembro de 2008 e iniciando o seu funcionamento em Setembro de 2009. Como não poderia ser diferente, a missão do INCTMACC é a de realizar atividades de P&D e FRH em computação científica e suas aplicações na medicina, em especial a modelagem e si mulação computacional dos sistemas fisiológicos que integram o corpo humano; promover o andamento do processo de ima gens médicas, da visualização científica e da realidade virtual no desenvolvimento de aplicativos médicos orientados para a diagnose auxiliada por computador, tratamento, planejamento cirúrgico, treinamento e credenciamento médico; empregando as mais modernas técnicas de comunicação e transmissão mul timídia; desenvolver e gerenciar ambientes computacionais de alto desempenho que atendam às necessidades da medicina as sistida por computação científica do país e, finalmente, promo ver transferência de tecnologia e inovação para a área da saúde assistida por computação científica. Neste momento parece oportuno lembrar do resultado do se minário promovido pela Sociedade Brasileira de Computação (SBC) “Grandes Desafios de Pesquisa em Computação no Bra ESPECIAL | Saúde

por Pablo Javier Blanco e Raúl A. Feijóo ESPECIAL | Saúde A Modelagem e Simulação Computacional do Sistema Cardiovascular Humano O MODELO ADAN

A

S DOENÇAS CARDIOVASCULARES (DCV) são as principais causas de morte na população mun dial. Em particular, a cardiopatia isquêmica e as doenças vasculares cerebrais representam em con junto 30% das mortes nos países desenvolvidos. A importância social das DCV no Brasil é corroborada ainda por representa rem uma das principais causas de aposentadorias e de interna ções, sendo uma das principais causas de gastos com estas in ternações. Estas graves consequências individuais e sociais das doenças cardiovasculares, assim como o reconhecimento de que a aterosclerose está intimamente relacionada a fatores he modinâmicos, tem motivado o uso crescente da modelagem e simulação computacional para abordar o ‘Grande Desafio’ que representa o entendimento da hemodinâmica do sistema car diovascular (SCV) e suas aplicações na medicina. Na área de hemodinâmica computacional, o emprego de técnicas de dinâmica de fluidos computacional tem permitido à comunidade científica abordar a circulação sanguínea a partir de estudos dos mecanismos físicos subjacentes. Assim, desde 1950, os esforços para desenvolver modelos computacionais e técnicas baseadas em simulação vêm aumentando a fim de repre sentar as múltiplas escalas de tempo e níveis de organização espacial presentes no SCV, tanto em condições fisiológicas como fisiopatológicas. En tretanto os modelos e simuladores do SCV existentes na atuali dade limitam sua representação incorporando no máximo 130 artérias aproximadamente. Dada a limitação inerente destes modelos, os mesmos não podem ser aplicados na prática médica, sendo úteis somente como prova de conceito, isto é, mostrando que a modelagem e simulação computacional são capazes de proporcionar resulta ESPECIAL | Saúde

Os modelos e

simuladores do

SCV existentes na

atualidade limitam

sua representação

incorporando no

máximo 130 artérias

aproximadamente.

dentes em toda a comunidade científica internacional. O mo delo inclui ainda as artérias perfurantes (com calibre externo da ordem de 500 mícrones) aos territórios vasculares, a morfo metria de cada vaso (diâmetro do lume, espessura da parede e comprimento do distrito arterial), assim como as propriedades mecânicas dos diferentes componentes que integram a parede arterial (elastina, colágeno e músculo liso), estimadas a partir de dados utilizados na literatura médica. O modelo está assim construído de forma a garantir uma distribuição do sangue aos órgãos de acordo com conhecimento médico atual. Esta equipe de pesquisadores está atualmente trabalhando na in corporação do sistema venoso seguindo os mesmos padrões em termos de precisão e detalhe anatômico que caracterizaram a descrição geométrica do sistema arterial no Modelo ADAN. Isto introduzirá mais um diferencial quando comparado com os simu ladores existentes, contribuindo ainda mais para manter o Brasil entre os protagonistas nesta área do conhecimento. O objetivo fundamental do modelo ADAN é o de servir como laboratório computacional para contribuir ao melhor entendi mento do funcionamento do SCV, permitindo analisar os fato res por trás do início e do progresso de doenças cardiovascula res, ajudar a desenvolver estratégias precisas para diagnosticar condições patológicas, contribuir na otimização de planeja mentos cirúrgicos e desenvolver novas estratégias de tratamen to. Entre as características inovadoras desta classe de modelos podemos listar: (i) a simulação de fenômenos multiescala e multissistêmicos; (ii) a especificação de simulações para pacien tes específicos e ou para pacientes genéricos; e (iii) a análise das tensões cisalhantes produzidas pelo escoamento sanguíneo em qualquer parte do SCV. Desta maneira, o Modelo ADAN permitirá à medicina avançar no atendimento médico personalizado ao proporcionar uma ferramenta baseada em fundamentos físicomatemáticos na ESPECIAL | Saúde

fronteira do conhecimento, capaz de auxiliar na tomada de de cisão com informações adicionais não disponíveis atualmente nos centros de saúde. Se disponíveis, elas são obtidas a um cus to alto e geralmente empregando métodos altamente invasivos para o paciente com seus consequentes riscos. A construção do Modelo ADAN foi resultado da tese de doutorado no LNCC/MCTI do Dr. Mário Sansuke Maranhão Watanabe, sob a orientação dos autores do presente artigo. Finalmente e com o intuito de mostrar as potencialidades do ADAN, foi lançado no final de 2013 o Sistema ADAN – WEB que pode ser acessado livremente através do endereço http://hemolab. lncc.br/adanweb. Ele pode ser utilizado por qualquer browser com suporte WebGL onde, inclusive, existem mais informações sobre o sistema, a equipe de desenvolvimento e as instituições patrocinadoras. Nesta versão simplificada o usuário pode co nhecer a hemodinâmica (velocidade e pressão em função do tempo) em qualquer uma das 2.142 artérias que integram o modelo fornecendo ainda, informações morfológicas (diâme tro, espessura da parede, propriedades mecânicas dos tecidos) e anatômicas do distrito arterial escolhido. ESPECIAL | Saúde

O Modelo ADAN

permitirá à medicina

avançar no atendimento

médico personalizado.

[1] [2] [3] Figura 1 Vista completa da anatomia vascular do Modelo ADAN. Figura 2 Detalhe da vascularização cervical, extracraniana e cerebral. Figura 3 Predições de fluxo e pressão nas principais artérias do corpo humano a partir de simulações computacionais efetuadas com o Modelo ADAN.