ANAIS DO CBEB´2000
Modelagem e Simulação
Técnicas de Simulação e Hipermídia Aplicadas ao Ensino na Área Médica
Maria Nazaré Munari Angeloni1, Luciana Schuch Kreutz2, Jorge Muniz Barreto3
1
Grupo de Pesquisas em Engenharia Biomédica (GPEB), Departamento de Engenharia Elétrica,
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Brasil, 88040-900
Fone (0XX48)331-9594
2, 3
Departamento de Informática e Estatística – Universidade Federal de Santa Catarina
Cx Postal 476, CEP 88040-900, Florianópolis – SC – Brasil
[email protected], [email protected], [email protected]
Resumo - Este trabalho utiliza técnicas de simulação e hipermídia para construir um sistema para ensino de fisiologia
cardiovascular em aulas de medicina. A simulação tem um grande apelo no ensino de fisiologia, dado que permite
estudar a variação de um parâmetro individual sem compensação fisiológica. O uso de modelos, neste tipo de ensino,
pode torná-lo mais prático e com menores custos do que a experimentação animal. O modelo computacional utilizado
para simular o funcionamento do sistema cardíaco é do tipo Windkessel. A hipermídia possibilita a criação de uma
interface que facilita a interação entre usuário e sistema. Estas duas técnicas combinadas oferecem ao aluno a
possibilidade de guiar seu próprio aprendizado. Para alcançar este objetivo, um tutorial em “html” foi preparado com
explicações sobre o sistema cardíaco e simulações que permitem a observação do comportamento das ondas de pressão
para um indivíduo sadio e para estados patológicos do coração. O sistema é suficientemente flexível e pode ser
adaptado incluindo-se novos tópicos ou alterando-se os existentes.
Palavras-chave: Informática na Educação, Hipermídia, Modelos Computacionais, Fisiologia Cardíaca.
Abstract - This work presents a system to teach cardiac mechanics by simulation techniques combinated with
hypermedia. Simulation has a great appeal in teaching physiology since it allows the study of the variation of an
individual parameter without physiologycal compensation. Moreover, it is laboratory animals life preserving. Modeling
and simulation, in this case can make the learning process more practical and with lower cost than the traditional
experimentation with life beings. The simulation model representing the dynamics of the cardiac system is related to
Windkessel type in order to represent a systemic circulation. The hypermedia usage on educational software is
important to provide an interface in which facilitates the interaction between user and system. It is shown how the
combination of simulation and hypermedia gives student liberty to serve one’s apprenticeship. To altain this goal a
tutorial in “html” was prepared with explanation of cardiac mechanics and simulation of pressure curves. The system is
sufficiently flexible to be the starting point for the preparation of other lessons.
Key-words: Informatics in Education, Hypermedia, Simulation Model, Cardiac Mechanics.
ensino mais prático e com menores custos, além de, em
alguns casos, evitar a experimentação com animais.
O uso da hipermídia em um software
educacional é importante por proporcionar uma
interface que facilita a interação entre usuário e sistema,
além de permitir o acesso a um grande número de
informações, através de textos, gráficos, som e imagem.
Uma boa interface gráfica prende a atenção do aluno,
tornando mais agradável a aprendizagem.
A união de simulação e hipermídia proporciona
ao aluno um tipo de aprendizado por exploração e
descoberta, ou seja, liberdade de guiar seu próprio
aprendizado, podendo realizar os experimentos que
considerar mais interessantes.
Introdução
O computador se tornou uma máquina
indispensável no cotidiano. E este fato não poderia
deixar de alcançar o processo educativo. A incorporação
de novas tecnologias na educação apareceu através do
software educativo. Estes softwares tem provocado uma
verdadeira revolução no processo de ensino e
aprendizagem, havendo mesmo sido recentemente
lançada uma revista especializada no assunto –
Informática e Educação [1]. O seu uso apresenta
vantagens como, por exemplo, o fato do aluno ter a
possibilidade de dirigir o seu próprio aprendizado em
qualquer momento ou lugar, repetindo as lições de
acordo com seu interesse. Permite, também, uma
apresentação interessante do conteúdo aliando textos,
gráficos, sons e animação.
Este trabalho propõe o uso de técnicas de
simulação e hipermídia para ensinar fisiologia cardíaca
a estudantes de medicina. Observa-se que o uso de
modelos pode apresentar vantagens como tornar o
Hipermídia
Em 1945, Vannevar Bush propôs o MEMEX, um
sistema conceitualmente capaz de suportar as formas
segundo as quais nós organizamos nossos pensamentos
[2]. Desde então, os avanços nesta área tem sido
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Biomecânica
aprendizagem de várias formas, permitindo aos alunos
pensar e construir oportunidade de aprender utilizando
um ambiente não muito convencional, mas que prende a
atenção e estimula o aprendizado.
enormes. No entanto, foi a partir de 1980 que este
conceito começou a se disseminar mais rapidamente,
devido aos grandes avanços tecnológicos na área de
armazenamento de dados e de interface com o usuário.
A palavra hipertexto foi usada pela primeira vez
em 1965 por Ted Nelson quando desenvolveu o
hipertexto Xanadu, dando forma à idéia de Bush [3].
A hipermídia surgiu unindo-se os conceitos de
hipertexto e multimídia.
Entende-se por multimídia qualquer combinação
de texto, arte gráfica, som, animação e vídeo transmitida
e manipulada por computador [4].
A interatividade também é muito importante para
multimídia, pois permite ao usuário navegar da maneira
desejada, deixando que ele escolha os assuntos de
interesse e ignorando assuntos de pouco interesse [5].
A multimídia tem sido usada para prender o
interesse do usuário e manter seu interesse durante uma
apresentação usando uma combinação dos elementos
acima citados [6].
A definição de hipertexto é feita contrapondo-se
seu conceito com o conceito tradicional de documento.
Enquanto em um texto, o acesso é feito sempre de
maneira seqüencial, em um hipertexto a informação
deixa de ser sempre percorrida desta mesma forma. Um
mesmo documento pode ser contextualizado de várias
formas, dependendo do caminho que o leitor percorre.
Dentro do conceito de hipertexto temos os
conceitos de nodo e âncora. O nodo representaria o
documento (ou um conjunto deles) e as âncoras seriam
as ligações entre os nodos [4].
A partir dos conceitos acima, defini-se a
hipermídia como uma apresentação dinâmica e não
linear de informações. Ela tem como característica
fundamental dar liberdade para o usuário navegar
através da informação, ou seja, escolher a ordem em que
se deseja ter acesso a ela [2]. Não podemos esquecer
que ser uma aplicação multimídia não é suficiente para
considerá-la hipermídia. Para isto, a aplicação deve
fazer com que o usuário sinta-se livre para mover-se
através da informação.
Modelos e Simulação
Pode-se definir modelos como uma abstração de
um sistema real, construídos apenas com os atributos
relevantes à experiência que se quer realizar [7]. É um
segundo sistema, construído a partir do sistema real que
se vai experimentar [7]. A sua construção é uma das
principais etapas do processo de simulação.
O uso de modelos é interessante em casos em
que não se pode experimentar com a situação real, por
questões de segurança, por exemplo. Apresenta a
vantagem de ser possível repetir a experiência quantas
vezes desejar.
A simulação é o processo de se obter conclusões
sobre o comportamento de um sistema, através de um
modelo deste sistema. Permite ao analista realizar os
estudos sobre o correspondente sistema para responder
questões do tipo “O que aconteceria se...?” [7]. Ela
permite ao analista verificar as soluções para seus
problemas diários com a profundidade desejada.
Modelos e Educação
Os modelos são bastante usados na educação.
Eles apresentam características que favorecem o
processo de ensino e aprendizagem.
Utilizando um modelo, o aluno pode tomar suas
próprias iniciativas e realizar os experimentos que julgar
mais interessantes. Além disso, permite ao aluno
explorar os mais diversos exemplos em um curto espaço
de tempo [2].
A simulação também é interessante para
substituir custos e experimentos perigosos em cursos de
biomédica [8].
Apesar de apresentar várias características
favoráveis, o uso de simulação não é um fato real.
Representa apenas uma abstração de um problema
maior. Por isso, devemos ter o cuidado de não entender
a simulação como se ela substituísse o sistema real.
Hipermídia na educação
Devido à sua capacidade de fornecer uma grande
quantidade de informações através de textos, gráficos e
som, a hipermídia permite que o aluno conheça as
informações através de animações e vídeos, e que
através
de
simulações
saiba
aplicar
estes
conhecimentos.
A hipermídia apresenta características que
preenchem os requisitos necessários para educar um
aluno. Alguns desses requisitos são prender sua atenção,
testar se os conceitos passados realmente foram
entendidos e reforçar os conceitos que não foram
compreendidos. Para isto, a hipermídia fornece figuras,
sons, animações para prender a atenção e testa o aluno
aplicando testes ao final de cada lição, por exemplo. E
através das informações obtidas pode verificar os pontos
fracos do aluno, e fazer uma repetição destes.
Os sistemas de hipermídia permitem um alto
grau de interatividade e apoiam os processos de
Modelos no Ensino do Sistema Cardíaco
Os primeiros esforços para utilizar modelos no
ensino de medicina foram feitos em 1981, quando foi
feito o desenvolvimento de modelos matemáticos para
descrever o comportamento do sistema cardiovascular.
Estes modelos foram usados não somente para pesquisa
e desenvolvimento, mas também para o auxílio de
cardiologia, substituindo experiências com animais por
simulação de computadores. Foi dada mais ênfase aos
aspectos matemáticos e menos aos pedagógicos [8].
Modelar fenômenos biológicos requer tempo e
toma uma boa parte do tempo de desenvolvimento do
sistema. O modelo desenvolvido deve ser bastante
preciso para permitir a reprodução dos dados do
experimento real.
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Biomecânica
Tipos de modelos do sistema cardiovascular
Componente Elétrico
Pode-se representar o sistema cardíaco por
diferentes tipos de modelos. Estudos feitos identificam
basicamente três tipos de modelos que diferem
essencialmente nos objetivos, nos parâmetros utilizados
e nos fenômenos básicos representados. São eles:
modelos de pressão média, modelos pulsados do tipo
Windkessel e de malha fechada.
Os modelos de pressão média visam
essencialmente a representação do controle da pressão
arterial média e os sistemas humorais de controle do
tono muscular vascular e da diurese, da sede e até
mesmo do tono sináptico.
Os modelos pulsados foram desenvolvidos pelo
interesse no estudo das pulsações de pressão e fluxo,
normais ou anômalas, sobre as paredes dos vasos e
sobre as válvulas cardíacas, e as patologias daí
decorrentes. Entre os modelos pulsados, podemos
definir os modelos Windkessel e de malha fechada.
O modelo Windkessel é caracterizado por ser de
malha aberta, ou seja, não se mostra explicitamente o
percurso entre a ejeção do sangue que sai do ventrículo
e entrada de sangue no modelo. É um modelo simples e
observa-se tudo do prisma do coração.
Nos modelos de malha fechada, pode-se estudar
a distribuição do sangue em várias partes do sistema
circulatório. Por envolver todo o sistema circulatório é
mais próximo da realidade, tornando-se mais trabalhoso
de implementar.
Tensão E
Sistema Cardíaco
Pressão de entrada do sangue
vindo dos pulmões
Válvula mitral
Diodo D1
Diodo D2
Válvula aórtica
Aorta
Resistor R2
Resistência periférica
Resistor R3
Complacência arterial
Capacitor de
Capacitância Fixa C
Complacência do ventrículo
Capacitor de
Capacitância
Variável Cv
Fluxo sanguíneo
Correntes i1, i2, i3
Carga qv, qc
Quantidade de sangue no
ventrículo
Pressão no ventrículo
Tensão Vv
Equações Obtidas
Implementação do Modelo
Equações de carga do ventrículo:
O modelo utilizado para simular o
funcionamento do sistema cardíaco foi o modelo
Windkessel. Este é um modelo parcimônio, pois não
inclui detalhes de simulação que não são relevantes para
o objetivo final. É, também, um modelo do tipo análogo
ou analógico. É construído a partir de componentes de
circuitos elétricos, como mostrados na figura 1.
dq v
= i1 − i2
dt
dq c
= i2 − i4
dt
(1)
Equações de pressão no ventrículo:
Vv =
qv
Cv
V1 =
qc
C
Equações de fluxo sanguíneo:
1
1
i1 = ( E − Vv ) *
i2 = (Vv − V1 ) *
R1
R2
(2)
i4 =
V1
R3
(3)
Equações de pressão na aorta e no átrio:
Va = Vc + ( R 2 * i 2 )
Vi = E − ( R1 * i1 )
(4)
Valores para as constantes R1, R2, R3, C e E e
para as cargas Qv e Qc foram definidos para identificar
as ondas de pressão de um indivíduo sadio. Os valores
das constantes podem ser variados, dentro de um certo
limite, para se observar as curvas de pressão em
condições patológicas, como por exemplo hipertensão e
arteriosclerose.
O método utilizado para implementar as
equações obtidas foi o método de Euler. Este é, talvez,
um dos métodos mais simples para solução de equações
diferenciais ordinárias.
Figura 1: Modelo Windkessel
A tabela 1 mostra a correspondência dos
componentes elétricos com o sistema cardíaco.
Tabela 1: Correspondência entre componentes elétricos
e sistema cardíaco.
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Biomecânica
Resultados Obtidos
!
Na figura 2, apresentam-se as curvas de pressão
de um indivíduo sadio obtidas a partir das equações do
modelo Windkessel. Pode-se observar a correspondência
com as curvas reais do sistema cardíaco.
Figura 4: Tela Inicial do Ciclo Cardíaco
Na terceira seção, o aluno pode simular o
funcionamento do coração a partir do software
criado, observando as ondas de pressão geradas.
Figura 2: Curvas de pressão de um indivíduo sadio
Implementação do Documento Hipermídia
Figura 5: Tela Inicial da Simulação
O documento hipermídia é um tutorial
construído em “html”. Foi basicamente dividido em
quatro seções: fisiologia cardíaca, ciclo cardíaco,
simulação e glossário.
!
O software de simulação apresenta duas partes:
exemplos e simulação. Em exemplos pode-se observar o
comportamento das ondas de pressão para um indivíduo
sadio e para indivíduos com hipertensão, arteriosclerose,
estenose mitral e estenose aórtica. Na parte de
simulação os parâmetros enchimento do ventrículo,
complacência arterial, aorta e resistência periférica
podem ser alterados possibilitando a observação das
ondas de pressão em condições especiais.
Na primeira, é apresentada a morfologia do
coração, veias e artérias. Apresenta figuras
esquemáticas e reais.
!
Na última seção, são definidos vários termos
referentes ao sistema cardíaco, utilizados nos textos
do tutorial.
Figura 3: Tela Inicial de Fisiologia
!
Na segunda, explica-se o funcionamento do ciclo
cardíaco.
Figura 6: Tela do Glossário
As figuras 3, 4, 5 e 6 apresentam as telas iniciais
das seções mencionadas.
Conclusões
A hipermídia permite que sejam apresentadas ao
aluno as informações em uma ampla variedade de
formas, facilitando assim o processo de aprendizado. O
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Biomecânica
aluno toma conhecimento das informações e por meio
da simulação aprende a aplicar estes conhecimentos.
Além disso apresenta características essenciais ao
processo de aprendizado, como prender a atenção do
aluno, testar o aluno para verificar se ele entendeu os
conceitos apresentados, além de poder rever quantas
vezes quiser um conceito mal compreendido.
A modelagem do sistema circulatório é uma
técnica que vem sendo utilizada há muitos anos e que
tem mostrado bons resultados para simulação. Permite
ao aluno conduzir as suas experiências. Apresenta
também a vantagem de reduzir a necessidade de
dissecar animais para experimentos.
Recomenda-se o uso do modelo Windkessel por
ele ser um modelo mais simplificado que permite fazer
estudos tais como: hipertensão, patologias valvulares,
modificação da contratilidade do miocárdio, entre
outras. Entretanto, muitos estudos necessitam de
modelos mais complexos, tais como: efeito da vibração
no septo, efeitos de volume sanguíneo, etc. Estes
modelos mais complexos serão introduzidos no futuro.
Referências
[1] Revista Brasileira de Informática e Educação
URL: http://www.inf.ufsc.br/sbc-ie/revista
[2] R. L. Pagano, "Computer Simulation as an
Educational Tool", Tese de Doutorado, Universitè
Catholique de Louvain, Belgium, 1992.
[3] J. M. Barreto and R. L. Pagano, "Hypertext and the
teaching process", Relatório Técnico, Universitè
Catholique de Louvain, Belgium, 1990.
[4] A. V. Marques and C. C. Schroeder,
"Aplicação de conceitos de ergonometria de interface
no desenvolvimento de um software educacional",
UFSC, 1991.
[5] A. H. Galvis, "Software Educativo Multimídia –
Aspectos Críticos no Seu Ciclo de Vida", na Revista
Brasileira de Informática na Educação, pp. 09-18,
Florianópolis, SC, Setembro, 1997.
[6] A. M. R. Fernandes, "Mutimídia, uma visão geral",
no II Simpósio Nacional de Informática na
Educação, Porto Alegre, 1997.
[7] F. Cellier., "Continous System Modeling",
Springes, 1991.
[8] J. M. Barreto, J. Lebacq and R. L. Pagano,
"Microcomputer Simulation of Biological Systems as
an Educational Tool in Medicine", in Mini and
Microcomputers in Medicine and Healthcare, pp. 912, Long Beach, CA, USA, 1991.
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