A cirurgia minimamente invasiva é um procedimento realizado no interior do corpo através de pequenos cortes, tendo diferentes designações consoante a região anatómica intervencionada. Quando ocorre na cavidade abdominal ou pélvica, é denominada de laparoscopia. Este procedimento inicia-se com a introdução de dióxido de carbono na cavidade abdominal, com o objetivo de a expandir suavemente, separando os órgãos internos e proporcionando melhor visibilidade e espaço de manobra. Em seguida, é introduzida uma câmara ótica através de um dos cortes, permitindo a visualização em tempo real do campo operatório num monitor externo. Os restantes cortes são utilizados para inserir os instrumentos cirúrgicos necessários para cortar, suturar e mover tecidos.

Início / Publicações / Publicação

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Laparoscopia
Imagem reproduzida do artigo.

Tipo de publicação: Resumo do Artigo
Título original: Laparoscopy with augmented reality adaptations
Data da publicação do artigo: Julho de 2020
Fonte: Journal of Biomedical Informatics
Autores: Ezequiel Zorzal, José Miguel Gomes, Maurício Sousa, Pedro Belchior, Pedro Silva, Nuno Figueiredo, Daniel Lopes & Joaquim Jorge

Qual é o objetivo, público-alvo e áreas da saúde digital em que se enquadra?
     O principal objetivo do estudo é desenvolver e avaliar um sistema de realidade aumentada mãos-livres que reduza a fadiga do cirurgião e melhore a ergonomia, a comunicação e o acesso a dados clínicos durante a cirurgia laparoscópica. O público-alvo inclui cirurgiões, bem como outros membros da equipa cirúrgica, gestores hospitalares e decisores na área da saúde e ainda investigadores e desenvolvedores de tecnologia médica. O trabalho aborda várias áreas da saúde digital, incluindo realidade aumentada aplicada à cirurgia, ergonomia médica, interfaces multimodais e visualização de dados clínicos em tempo real.

Qual é o contexto?
     A cirurgia minimamente invasiva é um procedimento realizado no interior do corpo através de pequenos cortes, tendo diferentes designações consoante a região anatómica intervencionada. Quando ocorre na cavidade abdominal ou pélvica, é denominada de laparoscopia. Este procedimento inicia-se com a introdução de dióxido de carbono na cavidade abdominal, com o objetivo de a expandir suavemente, separando os órgãos internos e proporcionando melhor visibilidade e espaço de manobra. Em seguida, é introduzida uma câmara ótica através de um dos cortes, permitindo a visualização em tempo real do campo operatório num monitor externo. Os restantes cortes são utilizados para inserir os instrumentos cirúrgicos necessários para cortar, suturar e mover tecidos.

     A laparoscopia é frequentemente utilizada em diversas intervenções, incluindo: (1) remoção da vesícula biliar, do apêndice, de quistos ováricos ou do útero; (2) tratamento de hérnias e de patologias dos intestinos, rins ou bexiga; e (3) cirurgias bariátricas para controlo da obesidade.

     Comparativamente à cirurgia aberta, a laparoscopia oferece múltiplas vantagens, como menor perda de sangue durante a cirurgia, menor dor no pós-operatório, menor risco de infeção, estadias hospitalares mais curtas e um período de recuperação significativamente mais rápido.

Quais são as abordagens atuais?
     Na laparoscopia convencional, os cirurgiões precisam de desviar o olhar do campo operatório e dos instrumentos para visualizar os monitores, o que compromete a coordenação olho-mão e dificulta a comunicação com os restantes elementos da equipa cirúrgica. Estes ecrãs estão frequentemente posicionados em ângulos desfavoráveis e a longas distâncias, contribuindo para posturas corporais forçadas que, mantidas durante longos períodos, provocam fadiga ao nível do pescoço e dos ombros. Outras limitações incluem a elevada dependência da interpretação visual dos dados projetados e a necessidade de formação técnica especializada para utilização eficaz do equipamento.

     A realidade aumentada tem emergido como uma alternativa promissora para melhorar a ergonomia, a visualização da informação clínica e a comunicação intraoperatória. No entanto, as aplicações atualmente disponíveis baseiam-se, em grande medida, na utilização de gestos manuais ou comandos de voz. Estas formas de interação apresentam limitações significativa: os gestos exigem uma interrupção do fluxo cirúrgico e podem comprometer a esterilidade do campo cirúrgico, pois exigem uma pausa para interagir com a interface, enquanto os comandos de voz tendem a ser pouco fiáveis em ambientes operatórios ruidosos.

     Em ambientes cirúrgicos, a maioria dos sistemas de realidade aumentada recorre a head-mounted display do tipo see-through, uns óculos que permitem aos cirurgiões visualizar a sala da cirurgia ao mesmo tempo que os dados virtuais do paciente são sobrepostos ao mundo real. No entanto, na laparoscopia, esta abordagem é ainda pouco aplicada. Em vez disso, a abordagem é geralmente muito imersiva com um vídeo da intervenção projetado diretamente à frente dos olhos, bloqueando grande parte da perceção do campo visual e prejudicando a comunicação com a equipa. Além disso, as soluções atuais de realidade aumentada focam-se na projeção de modelos 3D e não no acesso a imagens clínicas reais em 2D, como as obtidas pela ressonância magnética ou tomografia computorizada. Assim, subsiste a necessidade de desenvolver abordagens mais integradas, colaborativas e adaptadas às especificidades do ambiente cirúrgico.

Em que consiste a inovação? Como é que é avaliado o impacto deste estudo?
     Este estudo desenvolveu um protótipo inovador de realidade aumentada concebido para melhorar a visualização de procedimentos laparoscópicos, sem exigir que os cirurgiões adotem posições desconfortáveis. O sistema é mãos-livres e apresenta uma interface multimodal intuitiva que permite aos cirurgiões, visualizar o vídeo laparoscópico, interagir com imagens virtuais do paciente e indicar pontos de interesse com precisão.

     O protótipo integra dois componentes de hardware principais: os óculos de realidade aumentada Meta2 head-mounted display do tipo see-through e um sapato cirúrgico adaptado com um rato HP Z3700 sem fios incorporado, capaz de detetar os movimentos dos pés.

     O vídeo laparoscópico é transmitido em direto a partir da câmara inserida no paciente e projetado no centro do campo de visão de realidade aumentada, acompanhando os movimentos da cabeça do utilizador, garantindo uma visibilidade contínua, independentemente da postura corporal. Adicionalmente, duas imagens clínicas reais em 2D são apresentadas lateralmente no campo aumentado, permitindo comparações visuais rápidas e a escolha do lado mais confortável para esta visualização. Como estas imagens representam planos diferentes da região abdominal ou pélvica, o sistema permite alternar entre elas durante o procedimento. Uma das formas de navegar pelas imagens é através da rotação do pé — recuando ou avançando nas imagens ao girar para a esquerda ou para a direita, respetivamente — ou por meio do olhar, fixando o olhar nas setas virtuais exibidas no ecrã. Neste caso, olhar para a seta superior avança para a próxima imagem, enquanto olhar para a seta inferior retorna à anterior. A deteção da orientação da cabeça e a duração do olhar é realizada com base nos dados recolhidos pelo acelerómetro e giroscópio integrados nos óculos.

     A transmissão do vídeo e as alterações nos planos das imagens do paciente são sincronizadas em tempo real nos óculos de realidade aumentada de todos os membros da equipa cirúrgica presente, garantindo um ambiente aumentado partilhado com consciência situacional e comunicação clara. Para garantir que todos observam o mesmo ponto, é possível ativar um cursor para apontar com o olhar — olhando 20° para cima durante alguns segundos ou selecionando um botão virtual entre o vídeo e as imagens. Cada membro da equipa dispõe de uma cor de cursor distinta, permitindo uma rápida identificação de quem está a apontar.

     Para avaliar a usabilidade e eficácia do protótipo, o estudo envolveu oito cirurgiões entre os 33 e 52 anos da Fundação Champalimaud, todos com pelo menos sete anos de experiência em laparoscopia tradicional, mas pouca familiaridade com óculos de realidade aumentada. As sessões decorreram num ambiente com pouca luz, simulando o bloco operatório, com os cirurgiões a segurarem instrumentos laparoscópicos enquanto interagiam com um vídeo laparoscópico pré-gravado e com imagens de ressonância magnética anonimizadas. Foi usado um protocolo think-aloud, onde os cirurgiões exploraram o protótipo enquanto verbalizavam os seus pensamentos, permitindo que os investigadores recolhessem informação em tempo real sobre a experiência. Após a sessão, os participantes completaram a system usability scale que classifica a usabilidade percebida numa escala de 0 a 100 e o NASA task load index, que avalia a carga de trabalho percebida em seis dimensões — exigência mental, física e temporal, desempenho, esforço e frustração.

Quais são os principais resultados? Qual é o futuro desta abordagem?
     Os resultados foram globalmente positivos, indicando uma forte aceitação das funcionalidades do protótipo e do seu potencial para melhorar a prática da cirurgia laparoscópica. Os cirurgiões valorizaram particularmente o benefício ergonómico de o vídeo acompanhar os movimentos da cabeça, permitindo uma visualização contínua e reduzindo a tensão cervical. A navegação pelas imagens clínicas, quer através do movimento do pé, quer por fixação do olhar, foi considerada intuitiva e complementar, sendo destacado a vantagem do controlo mãos-livres para manter o fluxo de trabalho durante o procedimento. O controlo por movimentos do pé foi descrito como natural e familiar, pela sua semelhança os pedais já usados na cirurgia. O acesso direto às imagens clínicas, sem necessidade de assistência externa, foi percecionado como um ganho importante de autonomia. O mecanismo de apontar com o olhar demonstrou ser eficaz na comunicação intraoperatória, com os participantes a valorizarem a clareza e distinção visual entre os diferentes cursores. O sistema registou uma pontuação elevada na escala de usabilidade percebida (72,92), enquanto os resultados do índice indicaram níveis de carga de trabalho dentro de parâmetros adequados. No geral, os utilizadores consideraram que o sistema melhorou a coordenação olho-mão, promoveu posturas mais confortáveis e reforçou a colaboração com a equipa — ao mesmo tempo que reduziu o tempo de aprendizagem da técnica e superou limitações da laparoscopia convencional.

     Alguns participantes referiram que o vídeo laparoscópico estava pequeno ou com pouca nitidez, e que os óculos de realidade aumentada Meta2 têm o peso muito concentrado à frente, causando algum desconforto. Para futuras versões, propõe-se a adoção dos óculos Microsoft HoloLens 2, que oferecem melhor ergonomia, funcionamento sem cabos externos e distribuição do peso mais equilibrada. Outra melhoria seria a integração de visualização estereoscópica 3D, que apresenta imagens ligeiramente diferentes para o olho direito e esquerdo, simulando a perceção natural da profundidade. O cérebro funde estas imagens numa única representação tridimensional, facilitando a interpretação da posição e movimento dos instrumentos cirúrgicos com maior precisão e menor esforço cognitivo. Embora ainda seja um protótipo inicial, este demonstrou forte potencial para impulsionar a integração da realidade aumentada na cirurgia minimamente invasiva.

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Qual é o objetivo, público-alvo e áreas da saúde digital em que se enquadra?
     O principal objetivo do estudo é desenvolver e avaliar um sistema de realidade aumentada mãos-livres que reduza a fadiga do cirurgião e melhore a ergonomia, a comunicação e o acesso a dados clínicos durante a cirurgia laparoscópica. O público-alvo inclui cirurgiões, bem como outros membros da equipa cirúrgica, gestores hospitalares e decisores na área da saúde e ainda investigadores e desenvolvedores de tecnologia médica. O trabalho aborda várias áreas da saúde digital, incluindo realidade aumentada aplicada à cirurgia, ergonomia médica, interfaces multimodais e visualização de dados clínicos em tempo real.

Qual é o contexto?
     A cirurgia minimamente invasiva é um procedimento realizado no interior do corpo através de pequenos cortes, tendo diferentes designações consoante a região anatómica intervencionada. Quando ocorre na cavidade abdominal ou pélvica, é denominada de laparoscopia. Este procedimento inicia-se com a introdução de dióxido de carbono na cavidade abdominal, com o objetivo de a expandir suavemente, separando os órgãos internos e proporcionando melhor visibilidade e espaço de manobra. Em seguida, é introduzida uma câmara ótica através de um dos cortes, permitindo a visualização em tempo real do campo operatório num monitor externo. Os restantes cortes são utilizados para inserir os instrumentos cirúrgicos necessários para cortar, suturar e mover tecidos.

     A laparoscopia é frequentemente utilizada em diversas intervenções, incluindo: (1) remoção da vesícula biliar, do apêndice, de quistos ováricos ou do útero; (2) tratamento de hérnias e de patologias dos intestinos, rins ou bexiga; e (3) cirurgias bariátricas para controlo da obesidade.

     Comparativamente à cirurgia aberta, a laparoscopia oferece múltiplas vantagens, como menor perda de sangue durante a cirurgia, menor dor no pós-operatório, menor risco de infeção, estadias hospitalares mais curtas e um período de recuperação significativamente mais rápido.

Quais são as abordagens atuais?
     Na laparoscopia convencional, os cirurgiões precisam de desviar o olhar do campo operatório e dos instrumentos para visualizar os monitores, o que compromete a coordenação olho-mão e dificulta a comunicação com os restantes elementos da equipa cirúrgica. Estes ecrãs estão frequentemente posicionados em ângulos desfavoráveis e a longas distâncias, contribuindo para posturas corporais forçadas que, mantidas durante longos períodos, provocam fadiga ao nível do pescoço e dos ombros. Outras limitações incluem a elevada dependência da interpretação visual dos dados projetados e a necessidade de formação técnica especializada para utilização eficaz do equipamento.

     A realidade aumentada tem emergido como uma alternativa promissora para melhorar a ergonomia, a visualização da informação clínica e a comunicação intraoperatória. No entanto, as aplicações atualmente disponíveis baseiam-se, em grande medida, na utilização de gestos manuais ou comandos de voz. Estas formas de interação apresentam limitações significativa: os gestos exigem uma interrupção do fluxo cirúrgico e podem comprometer a esterilidade do campo cirúrgico, pois exigem uma pausa para interagir com a interface, enquanto os comandos de voz tendem a ser pouco fiáveis em ambientes operatórios ruidosos.

     Em ambientes cirúrgicos, a maioria dos sistemas de realidade aumentada recorre a head-mounted display do tipo see-through, uns óculos que permitem aos cirurgiões visualizar a sala da cirurgia ao mesmo tempo que os dados virtuais do paciente são sobrepostos ao mundo real. No entanto, na laparoscopia, esta abordagem é ainda pouco aplicada. Em vez disso, a abordagem é geralmente muito imersiva com um vídeo da intervenção projetado diretamente à frente dos olhos, bloqueando grande parte da perceção do campo visual e prejudicando a comunicação com a equipa. Além disso, as soluções atuais de realidade aumentada focam-se na projeção de modelos 3D e não no acesso a imagens clínicas reais em 2D, como as obtidas pela ressonância magnética ou tomografia computorizada. Assim, subsiste a necessidade de desenvolver abordagens mais integradas, colaborativas e adaptadas às especificidades do ambiente cirúrgico.

Em que consiste a inovação? Como é que é avaliado o impacto deste estudo?
     Este estudo desenvolveu um protótipo inovador de realidade aumentada concebido para melhorar a visualização de procedimentos laparoscópicos, sem exigir que os cirurgiões adotem posições desconfortáveis. O sistema é mãos-livres e apresenta uma interface multimodal intuitiva que permite aos cirurgiões, visualizar o vídeo laparoscópico, interagir com imagens virtuais do paciente e indicar pontos de interesse com precisão.

     O protótipo integra dois componentes de hardware principais: os óculos de realidade aumentada Meta2 head-mounted display do tipo see-through e um sapato cirúrgico adaptado com um rato HP Z3700 sem fios incorporado, capaz de detetar os movimentos dos pés.

     O vídeo laparoscópico é transmitido em direto a partir da câmara inserida no paciente e projetado no centro do campo de visão de realidade aumentada, acompanhando os movimentos da cabeça do utilizador, garantindo uma visibilidade contínua, independentemente da postura corporal. Adicionalmente, duas imagens clínicas reais em 2D são apresentadas lateralmente no campo aumentado, permitindo comparações visuais rápidas e a escolha do lado mais confortável para esta visualização. Como estas imagens representam planos diferentes da região abdominal ou pélvica, o sistema permite alternar entre elas durante o procedimento. Uma das formas de navegar pelas imagens é através da rotação do pé — recuando ou avançando nas imagens ao girar para a esquerda ou para a direita, respetivamente — ou por meio do olhar, fixando o olhar nas setas virtuais exibidas no ecrã. Neste caso, olhar para a seta superior avança para a próxima imagem, enquanto olhar para a seta inferior retorna à anterior. A deteção da orientação da cabeça e a duração do olhar é realizada com base nos dados recolhidos pelo acelerómetro e giroscópio integrados nos óculos.

     A transmissão do vídeo e as alterações nos planos das imagens do paciente são sincronizadas em tempo real nos óculos de realidade aumentada de todos os membros da equipa cirúrgica presente, garantindo um ambiente aumentado partilhado com consciência situacional e comunicação clara. Para garantir que todos observam o mesmo ponto, é possível ativar um cursor para apontar com o olhar — olhando 20° para cima durante alguns segundos ou selecionando um botão virtual entre o vídeo e as imagens. Cada membro da equipa dispõe de uma cor de cursor distinta, permitindo uma rápida identificação de quem está a apontar.

     Para avaliar a usabilidade e eficácia do protótipo, o estudo envolveu oito cirurgiões entre os 33 e 52 anos da Fundação Champalimaud, todos com pelo menos sete anos de experiência em laparoscopia tradicional, mas pouca familiaridade com óculos de realidade aumentada. As sessões decorreram num ambiente com pouca luz, simulando o bloco operatório, com os cirurgiões a segurarem instrumentos laparoscópicos enquanto interagiam com um vídeo laparoscópico pré-gravado e com imagens de ressonância magnética anonimizadas. Foi usado um protocolo think-aloud, onde os cirurgiões exploraram o protótipo enquanto verbalizavam os seus pensamentos, permitindo que os investigadores recolhessem informação em tempo real sobre a experiência. Após a sessão, os participantes completaram a system usability scale que classifica a usabilidade percebida numa escala de 0 a 100 e o NASA task load index, que avalia a carga de trabalho percebida em seis dimensões — exigência mental, física e temporal, desempenho, esforço e frustração.

Quais são os principais resultados? Qual é o futuro desta abordagem?
     Os resultados foram globalmente positivos, indicando uma forte aceitação das funcionalidades do protótipo e do seu potencial para melhorar a prática da cirurgia laparoscópica. Os cirurgiões valorizaram particularmente o benefício ergonómico de o vídeo acompanhar os movimentos da cabeça, permitindo uma visualização contínua e reduzindo a tensão cervical. A navegação pelas imagens clínicas, quer através do movimento do pé, quer por fixação do olhar, foi considerada intuitiva e complementar, sendo destacado a vantagem do controlo mãos-livres para manter o fluxo de trabalho durante o procedimento. O controlo por movimentos do pé foi descrito como natural e familiar, pela sua semelhança os pedais já usados na cirurgia. O acesso direto às imagens clínicas, sem necessidade de assistência externa, foi percecionado como um ganho importante de autonomia. O mecanismo de apontar com o olhar demonstrou ser eficaz na comunicação intraoperatória, com os participantes a valorizarem a clareza e distinção visual entre os diferentes cursores. O sistema registou uma pontuação elevada na escala de usabilidade percebida (72,92), enquanto os resultados do índice indicaram níveis de carga de trabalho dentro de parâmetros adequados. No geral, os utilizadores consideraram que o sistema melhorou a coordenação olho-mão, promoveu posturas mais confortáveis e reforçou a colaboração com a equipa — ao mesmo tempo que reduziu o tempo de aprendizagem da técnica e superou limitações da laparoscopia convencional.

     Alguns participantes referiram que o vídeo laparoscópico estava pequeno ou com pouca nitidez, e que os óculos de realidade aumentada Meta2 têm o peso muito concentrado à frente, causando algum desconforto. Para futuras versões, propõe-se a adoção dos óculos Microsoft HoloLens 2, que oferecem melhor ergonomia, funcionamento sem cabos externos e distribuição do peso mais equilibrada. Outra melhoria seria a integração de visualização estereoscópica 3D, que apresenta imagens ligeiramente diferentes para o olho direito e esquerdo, simulando a perceção natural da profundidade. O cérebro funde estas imagens numa única representação tridimensional, facilitando a interpretação da posição e movimento dos instrumentos cirúrgicos com maior precisão e menor esforço cognitivo. Embora ainda seja um protótipo inicial, este demonstrou forte potencial para impulsionar a integração da realidade aumentada na cirurgia minimamente invasiva.

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