Um sistema de identificação antecipada e transmissão prioritária de alertas médicos sobre WBANs e WLANs

Abstract

Resumo: Os aplicativos e dispositivos móveis têm sido cada vez mais utilizados no monitoramento dos cuidados com a saúde, como no acompanhamento de atividades físicas. Em 2016, cerca de 7 milhões de pessoas foram monitoradas remotamente por meio de dispositivos e aplicações médicas. Isso é possível, com o auxílio das redes e tecnologias sem fio, as quais oferecem mobilidade aos usuários. Precisamente, graças às redes corporais sem fio (WBANs) que possibilitam monitorar continuamente a saúde dos pacientes, e com isso, identificar as doenças em seus estágios iniciais. A Organização Mundial de Saúde aponta que quanto antes detectado os eventos críticos, como ataques cardíacos e paradas respiratórias, e transmitidos os alertas médicos sobre esses eventos para os centros hospitalares, maiores são as chances de prevenir os pacientes de futuras implicações. Porém, as redes sem fio apresentam limitações na comunicação, sendo vulneráveis a interferências e perdas. Sendo que perda de dados vitais pode acarretar em sérias consequências na vida dos pacientes. As soluções existentes para mitigar essas limitações em redes WBANs e redes locais sem fio (WLANs) ora se preocupam com a detecção de eventos críticos, ora com a transmissão prioritária de alertas médicos, sendo inexistentes soluções abordando os dois aspectos juntos. Além do mais, os métodos da literatura detectam os eventos críticos na saúde quando estes já estão em progresso e delimitam-se a limiares particulares dos sinais vitais. Apesar das WBANs oferecerem tratamentos prioritários para a transmissão dos alertas médicos, ainda se encontram lacunas no seu envio até o destino final. Desta forma, a identificação antecipada de eventos críticos na saúde dos pacientes atinge seu ápice quando associada à entrega imediata dos alertas aos profissionais da saúde. Visto que não adianta identificar um evento crítico se não for capaz de alertar os médicos a tempo de tomar ações de precaução. Diante disso, este trabalho apresenta SANTE (do inglês, System for Anticipated identificatioN and Transmission of mEdical alerts on WBAN/WLAN), o primeiro sistema de identificação antecipada e transmissão prioritária de alertas médicos no contexto híbrido WBAN/WLAN. Particularmente, SANTE prediz tendências sobre a iminência de eventos críticos no comportamento dos sinais vitais por meio de um conjunto de indicadores estatísticos genéricos. Uma vez identificadas essas tendências, SANTE gera alertas médicos que recebem o maior nível de prioridade para transmissão e oferece prioridade de acesso ao meio através da redução da janela de contenção e intervalo AIFS na WLAN. A avaliação de desempenho do sistema SANTE, por meio de análises estatísticas e experimentos de simulação em ambientes de redes, mostra que os indicadores genéricos podem indicar a iminência de eventos críticos em sinais vitais reais. Também, os resultados apontam que SANTE, mesmo em um cenário denso, apresenta uma redução média de 39% na latência de transmissão dos alertas sem prejudicar os outros tipos de tráfego presentes no meio sem fio, como voz e vídeo. Palavras-chave: WBAN, WLAN, Predição de Eventos, Transmissão Prioritária.

Abstract: Applications and mobile devices have been increasingly used to monitor health care, such as physical activity monitoring. In 2016, about 7 millions of people were monitored remotly by medical devices and applications. This is possible with the aid of the wireless networks and technologies, which provide mobility to the user. Precisely, thanks to wireless body area networks (WBANs), which allow monitoring continuously the patients' health and with this, identify diseases in their early stages. World Health Organization points out that the sooner detected critical events, such as heart attacks and respiratory arrest, and transmited the medical alerts about these events to the hospital, greater are the chances of preventing patients from future implications. Nevertheless, wireless networks suffer from communication constraints, being vulnerable to interferences and losses. Once loss of vital data can result in serious consequences in patients' life. The existing solutions to mitigate these limitations in WBANs and WLANs are either concerned with the detection of critical events or with the priority on medical alerts transmission, being inexistent solutions addressing jointly both aspects. Moreover, literature methods detect the critical events when they are already in progress and are limited to particular thresholds of vital signs. Although WBANs offer priority treatments for the medical alerts transmission, there are still gaps in their delivery to the final destination. In this way, the anticipated identification of critical events in patients' health reaches its paramount importance when associated to the urgent delivery of the alerts to healthcare professionals. Since, there is no use identifying a critical event if you are not able to alert doctors in time to take precaution measures. Therefore, this work presents SANTE, the first System for Anticipated identificatioN and Transmission of mEdical alerts on WBAN/WLAN. Particularly, the system foresees trends about the imminence of critical events on patients' vital signs through a set of generic statistical indicators. When these trends are identified, SANTE generates medical alerts. It assigns the highest level of priority to these alerts and offers priority on medium access by reducing contention window and AIFS range on the WLAN. The performance evaluation of SANTE, through of statistical analysis and simulation experiments in networks environments, shows that generic indicators can indicate the imminence of critical events in real vital signs. Also, the results shows that SANTE, even in a dense scenario, present an average reduction of 39% in the medical alerts transmission latency without affect the other types of traffic present in the wireless environment, such as voice and video. Keywords: WBAN, WLAN, Event Prediction, Priority Transmission.