Sistema Multiagentes para el Monitoreo Inteligente

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1 Sistema Multiagentes para el Monitoreo Inteligente J. Julio 1, A.I. Hernández 2,3, A. Beuchée 4, S. Wong 1, G. Passariello 1, F. Mora 1, G. Carrault 2,3 1 GBBA, Universidad Simon Bolivar, Caracas, Venezuela 2 INSERM, U642, Rennes, F-35000, France 3 Université de Rennes 1, LTSI, F-35000, France 4 Département de Pédiatrie, Pavillon Le Chartier, CHU, Pontchaillou, Rennes, France Abstract This work is performed in the context of the intelligent monitoring of physiological signals using multiagent systems. Multiagent systems allow the handling of distributed information, communication and coordination between independent organizations and the implementation humanmachine interfaces. The proposed system allows the early detection of episodes of apnea-bradycardia and the automatic activation of a kinesthetic therapy to stop these episodes. To achieve this goal, a multiagent architecture is defined in which specific agents are associated with the different stages of the monitoring process: acquisition, processing, diagnosis and therapy. The system is composed of one or several acquisition devices and by a monitoring application. The monitoring application was implemented using a multiagent platform, thus facilitating the integration of specific knowledge and substantially reducing the time of software development. This work represents an important contribution to the automatic patient monitoring process. Palabras claves multiagent systems, medical information systems, signal processing, health care, neonatal care I. INTRODUCCIÓN El monitoreo permite caracterizar la evolución temporal de los parámetros de un sistema, inherentes al dominio de aplicación, dentro de la perspectiva de proveer un diagnóstico en caso de anomalías. En el contexto médico, los sistemas de monitoreo están basados en la aplicación iterativa de cuatro etapas bien definidas: adquisición de datos, detección, diagnóstico y terapia (ver Fig. 1). Paciente Señales Imágenes Exámenes Historia Higiénicos Farmacológicos Quirúrgicos Físicos Adquisición Terapia Fig. 1 Monitoreo Medico Señales continuas y discretas Estados Eventos Alarmas Detección Ondas Segmentos Tendencias Diagnóstico Aún se presentan verdaderos desafíos en cada una de las etapas de la Fig. 1, que van desde el diseño de sensores no invasivos, pasando por la extracción y representación de conocimientos, el diseño de arquitecturas distribuidas de procesamiento de la información, la generación de alarmas inteligentes hasta la implementación de un sistema que englobe todas las etapas de forma confiable y automática. Particularmente, para el diseño de un sistema de monitoreo inteligente basado en conocimientos, surgen las siguientes dificultades: i) la definición de una plataforma inteligente distribuida, ii) la identificación del tipo de inteligencia que debe estar presente y iii) el desarrollo de un protocolo de comunicación entre diversos módulos inteligentes. La noción de agentes informáticos ha sido desarrollada durante las últimas dos décadas con el fin de responder conjuntamente a estas dificultades [1]. El objetivo de este trabajo ha sido de diseñar y desarrollar un sistema de monitoreo inteligente genérico basado en una metodología multiagentes, con una aplicación clínica en neonatología para la detección precoz de episodios de apnea en niños prematuros. II. MONITOREO INTELIGENTE Y SISTEMAS MULTIAGENTES La aplicación pionera en el campo de los sistemas de monitoreo inteligente fue el sistema Guardian [2] dedicado al monitoreo de pacientes con soporte para diagnóstico y terapia. Posteriormente se han prepuesto otros sistemas experimentales para el monitoreo de pacientes en varias aplicaciones, por ejemplo, para monitorear los pacientes diabéticos [3] ó para la asistencia en la estabilización de pacientes con traumas hemorrágicos en emergencia [4]. Sin embargo, la mayoría de estos sistemas de monitoreo son adaptaciones de sistemas basados en conocimientos cuya arquitectura ha sido transformada en una arquitectura particular de agentes. La mayoría de los problemas que aparecen en el ámbito médico y especialmente en los sistemas de monitoreo de pacientes, comparten características similares y la decisión Carmen Mueller-Karger, Sara Wong, Alexandra La Cruz (Eds.): CLAIB 2007, IFMBE Proceedings 18, pp , Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007

2 502 J. Julio, A.I. Hernández, A. Beuchée, S. Wong, G. Passariello, F. Mora, G. Carrault de aplicar sistemas multiagentes (SMA) puede facilitar la definición de soluciones comunes a todos ellos [1]. Entre las características más relevantes en este dominio se pueden citar las siguientes: i) es necesario incluir conocimientos específicos, de forma distribuida, ii) la solución de un problema depende de la coordinación de diferentes componentes en el sistema sin la supervisión de un coordinador único centralizado, iii) los problemas asociados al monitoreo de pacientes son cada vez más complejos y no es fácil aplicar técnicas habituales de ingeniería del software para resolverlos. Aplicando estos criterios generales, se puede comprobar que los SMA son una herramienta apropiada para solucionar este tipo de problemas. En efecto: i) los componentes de un SMA pueden estar ejecutándose en diferentes equipos de forma concurrente, iii) las técnicas de solución distribuida de problemas desarrolladas en los SMA facilitan la resolución de problemas complejos utilizando un grupo de agentes especializados en la resolución de tareas más sencillas y equipados con el conocimiento específico necesario, iv) gracias a la autonomía de los agentes, los SMA pueden modelar el comportamiento de cada elemento del sistema que quiera mantener su autonomía e independencia del resto. En resumen, las propiedades básicas de los agentes inteligentes (autonomía, proactividad, carácter social) y las características de los SMA (manejo de información distribuida, comunicación y coordinación entre entidades autónomas) sugieren que son una buena opción a considerar en el diseño de un sistema de monitoreo de pacientes. La complejidad asociada al desarrollo de SMA implica la utilización de una metodología que permita la construcción de todo el sistema a partir de distintos agentes. III. METODOLOGIA A. Arquitectura de agentes La arquitectura de agentes en la mayoría de sistemas de monitoreo de pacientes son adaptaciones de sistemas a base de conocimientos cuyas arquitecturas tienden a ser hibridas. Estos sistemas aun presentan dos problemas principales que hay que resolver para facilitar su aplicabilidad: i) la interoperabilidad (facilidad de interconexión e integración de sistemas basados en dicha tecnología) y ii) la apertura (posibilidad de extensión). Para ello es importante disponer de estándares y, en el caso de los agentes, la organización que más ha trabajado en este sentido es la FIPA (Foundation for Intelligent Physical Agents). La arquitectura FIPA establece un modelo lógico referente a la creación, destrucción, registro, localización y comunicación de agentes. En este trabajo se seleccionó la plataforma JADE [10] debido a su compatibilidad con FIPA y su soporte (es decir, documentación, lista de correo y actualización constante) además que su código es abierto. B. Diseño del sistema Para la aplicación de monitoreo de pacientes se definieron varios agentes que se encuentran en tres ambientes diferentes: el ambiente Central (sala de monitoreo con las enfermeras), el ambiente MAD (módulo de adquisición de datos), y un tercer ambiente definido en una PDA (asistente personal digital) referente a una extensión del sistema donde la enfermera puede tener una PDA conectada al ambiente Central a través de una conexión WIFI para recibir alarmas proporcionándole movilidad al personal médico. Estos ambientes se representan con el diagrama de ambiente de la Fig. 2. Cada agente en el sistema juega un rol, el cual trata de las tareas que sabe ejecutar y de los objetivos que se En los últimos años han surgido numerosas metodologías como soporte al proceso de desarrollo del software basado en multiagentes [5]. La mayoría parten de enfoques conocidos como: i) el paradigma de objetos aplicados en las metodologías MaSE [6] e INGENIAS [7]; ii) la ingeniería del conocimiento en el caso de MAS-CommonKADS [8]; o iii) el diseño dirigido por requisitos como en la metodología TROPOS [9]. En este trabajo se seleccionó INGENIAS porque: i) el ciclo de desarrollo está basado en el RUP, ii) el ciclo de vida tiene tres fases: análisis, diseño e implementación, iii) el dominio de aplicaciones es independiente, iv) el tamaño del sistema multiagente es indefinido y, v) la naturaleza del agente se basa en la definición de objetivos y estados. Central Adquisición Procesamiento Aplicación Monitor Principal Principal Comunicaciones Comunicaciones Ambiente CENTRAL Ambiente MAD Fig. 2 Diagrama de ambiente Alarma Ambiente PDA

3 Sistema Multiagentes para el Monitoreo Inteligente 503 compromete a alcanzar. Estos roles se describen a continuación: El agente central (CentralAgent) reside en el ambiente Central. Este agente permite exportar la información más pertinente de cada paciente sobre la consola central de visualización multipaciente, monitorear los parámetros principales, las alarmas y la detección de eventos de riesgo del conjunto de pacientes monitoreados. El agente de procesamiento (ProcessingAgent) reside en el ambiente Central y es responsable del análisis de datos provenientes del agente adquisición. En los comportamientos de este agente, es posible implementar de manera suficiente los diferentes métodos de procesamiento de la información propuestos en trabajos anteriores. El agente monitor (MonitorAgent) reside en el ambiente Central. Este es responsable de la creación de la interfaz de usuario específica a un problema clínico dado, del registro de datos y de la repartición de tareas de análisis y comunicación con los otros agentes. La interfaz gráfica creada por el agente monitor funciona en tiempo real y presenta las señales adquiridas, los parámetros detectados y su evolución temporal, los parámetros de configuración del dispositivo asociado, etc. El agente principal (MainAgent) reside en el ambiente Central. Este administra la globalidad de la aplicación y la consola de la aplicación de visualización multipacientes, además permite la creación de interfaces gráficas en función del contexto. El agente de comunicaciones (CommunicationAgent) reside en el ambiente Central y es un agente intermediario, que realiza la transferencia de información con el agente de comunicación del DAM, traduciendo los mensajes FIPA-ACL (utilizados en la aplicación) en el formato del protocolo desarrollado en el dispositivo. Este agente dispone de una interfaz gráfica que facilita el acceso a los parámetros del dispositivo asociado. Los agentes del ambiente MAD residen en el módulo de adquisición de datos y se encargan de todo el control del dispositivo y la integración de inteligencia en el mismo. A. Aplicación genérica de monitoreo inteligente Esta aplicación está codificada en lenguaje de programación JAVA y usa la plataforma JADE para la creación y comunicación entre los agentes. Los métodos de procesamiento de datos y manejo de puertos de comunicación que se incluyen en la aplicación se desarrollaron en lenguaje de programación C++ y se integraron a través de una interfaz JNI (Java Native Interface). Los métodos de procesamiento pueden ser evaluados en el ambiente MATLAB utilizando una interfaz MEX que permite su depuración y validación, usando una base de datos para tal fin. Tanto la programación en lenguaje JAVA como C++ se realizó en el ambiente de desarrollo multiplataforma Eclipse [11]. La aplicación de monitoreo presenta dos interfaces gráficas principales: Una interfaz Central, destinada al puesto central de monitoreo situado, por ejemplo, en medio de las diferentes incubadoras en el caso de las unidades de cuidados intensivos en neonatología. Una interfaz Monitor, que presenta todos los detalles sobre cada uno de los pacientes monitoreados, como el conjunto de señales adquiridas en tiempo real, la configuración de los métodos de procesamiento, etc. La interfaz Central (ver Fig. 3) controla las etapas iniciales del monitoreo de cada paciente y luego presenta de forma sintética la información más pertinente de cada paciente monitoreado, despliega las alarmas generadas y permite controlar las funciones básicas de cada módulo de adquisición (inicio y final de la adquisición). En esta interfaz, una ventana es creada para cada paciente. El funcionamiento de esta última ventana está asociado al agente Central el cual reside en el ambiente Central. Controles básicos Barra de herramientas sensitiva Menú principal IV. RESULTADOS Este trabajo tiene como resultados: i) la creación de un sistema multiagentes para el monitoreo inteligente y ii) una aplicación clínica en neonatología para el monitoreo de apneas-bradicardias en niños prematuros. Paciente 1 Paciente 2 Fig. 3 Interfaz de usuario Central

4 504 J. Julio, A.I. Hernández, A. Beuchée, S. Wong, G. Passariello, F. Mora, G. Carrault ECG en tiempo real Latido promedio ECG V. CONCLUSIONES Serie RR Parámetros del procesamiento Parámetros del Dispositivo Inteligente Fig. 4 Interfaz de usuario Monitor La interfaz Monitor (ver Fig. 4) permite la visualización en tiempo real de las señales en la vista RealTime. En el caso del monitoreo de la apnea-bradicardia en neonatos, se presentan vistas adicionales correspondientes a los resultados del análisis: i) en la vista Template se presenta cada latido detectado y ii) en la vista Trend se presenta la tendencia del intervalo RR. Gracias al enfoque multiagentes, la aplicación de monitoreo puede fácilmente funcionar sobre uno o varios computadores al mismo tiempo, localmente o a distancia. El funcionamiento de la interfaz Monitor es responsabilidad del agente Monitor quien la construye, dependiendo del problema clínico dado. B. Aplicación al monitoreo de eventos de apneabradicardia en neonatología La aplicación del sistema propuesto en el contexto de monitoreo de la apnea-bradicardia en neonatos permite: i) la visualización y almacenamiento del ECG del neonato en tiempo real y a distancia, ii) la extracción de la curva de variabilidad cardiaca, iii) la detección precoz de eventos de apnea-bradicardia, la activación de un estimulador vibro táctil. La interfaz Central o consola multipaciente (Fig. 3) presenta la serie RR en una ventana móvil junto con las diferentes alarmas producidas en la detección de la apneabradicardia. Los controles básicos permiten iniciar o detener la adquisición en los dispositivos y mostrar u ocultar la interfaz de monitoreo particular a cada paciente. La interfaz Monitor (ver 504) permite la visualización en tiempo real de la señal de ECG (RealTime), de cada latido detectado (Template) y del intervalo RR (Trend). En este trabajo se diseño y desarrolló un sistema multiagente para el monitoreo de la apnea en neonatos. El sistema desarrollado está compuesto de varios dispositivos inteligentes y una aplicación de monitoreo que cubren las cuatro etapas del proceso de monitoreo. Estas etapas son: un módulo de adquisición de señales, una etapa de detección y diagnóstico precoz y por último la activación automática de una terapia adaptada al estado del neonato. El trabajo actual está dirigido a la validación del prototipo actual en un contexto hospitalario. Actualmente se está realizando un protocolo clínico en el servicio de pediatría del hospital Universitario de Rennes CHU (Hospital Sur y CHU de Pontchaillou). Este protocolo permitirá realizar una comparación cuantitativa del sistema propuesto con el sistema de monitoreo actual. AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido parcialmente soportado por el proyecto de cooperación ECOS-NORD numero de acción V03S03. REFERENCIAS 1. Nealon, J.L. and A. Moreno, Agent-Based Applications in Health Care, in Applications of Software Agent Technology in the Health Care Domain., W.S.i.S.A. Technologies, Editor. 2003: Birkhäuser Verlag, Basel, Germany. p Larsson, J.E. and B. Hayes-Roth, Guardian: An Intelligent Autonomous Agent for Medical Monitoring and Diagnosis. IEEE Intelligent Systems, (1): p Amigoni, F. and N. Gatti. An environmental multiagent architecture for health management. in Artif. Intell. Workshop Ambient Intell Mabry, S.L., et al. Intelligent agents for patient monitoring and diagnostics. in ACM symposium on Applied computing Henderson-Sellers, B. and P. Giorgini, Agent-oriented Methodologies. 2005: Idea Group Publishing. 6. DeLoach, S.A. Multiagent Systems Engineering: A Methodology and Language for Designing Agent Systems. in Agent Oriented Information Systems Pavón, J., J.J. Gómez-Sanz, and R. Fuentes, The INGENIAS Methodology and Tools. Agent-Oriented Methodologies. Idea Group Publishing, 2005: p Iglesias, C.A., et al., Analysis and design of multiagent systems using MAS-CommonKADS. Lecture Notes in Computer Science, 1998(1365): p

5 Sistema Multiagentes para el Monitoreo Inteligente Bresciani, P., et al., Tropos: An Agent-Oriented Software Development Methodology. Autonomous Agents and Multi- Agent Systems, (3): p TILab. Jade - Java Agent DEvelopment Framework [cited /18]; Available from: Shavor, S., et al., The Java Developer's Guide to Eclipse. 2003: Pearson Education. Autor: Julio Cruz Instituto: Grupo de Bioingeniería y Biofísica Aplicada Calle: Universidad Simón Bolívar, Valle de Sartenejas Ciudad: Caracas País: Venezuela julio.cruz@juliocruz.info