Um estudo de estratégias de sistemas distribuidos aplicadas a sistemas de telemedicina

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia e Gestão do ConhecimentoDesde o surgimento da Telemedicina na década de 60, ela vem sendo sugerida e aplicada como uma forma de prover acesso a saúde das pessoas, que estão isoladas dos grandes centros médicos. A sua disseminação e popularização trouxe alguns desafios no que tange à disponibilidade e escalabilidade dos sistemas que as suportam e, conseqüentemente, do conhecimento embutido em seus bancos de dados. Desta forma, este trabalho se propõe a realizar um estudo de estratégias de sistemas distribuídos aplicadas aos sistemas de telemedicina. Foram desenvolvidos três estudos, baseados em cenários de aplicação. São eles: agregados computacionais, bancos de dados distribuídos e sistemas de arquivos distribuídos. No primeiro cenário proposto, foi realizado um estudo para o provimento de alta disponibilidade e alto desempenho, usando agregados computacionais, para o sistema de telemedicina do Laboratório de Telemedicina da Universidade Federal de Santa Catarina. Neste cenário foram avaliados e comparados o sistema atual versus o sistema utilizando agregados computacionais. No segundo cenário foi avaliado o uso de replicação de dados assíncrona entre bancos de dados distribuídos, no sentido de integrar o conhecimento embutido nos bancos de dados médicos. Por fim, no terceiro e último cenário, foi avaliado o uso de sistemas de arquivos distribuídos como dispositivo de armazenamento de imagens médicas, no sentido de promover altos níveis de escalabilidade e desempenho para as informações

Otimização da persistência de dados em PACS empregando modelos de dados hierárquicos indexados

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação.A variedade de modalidades produzidas pelo aumento de dispositivos que sejam capazes de gerar imagens médicas em formato DICOM tem crescido. Consequentemente, com a digitalização dos setores de radiologia, as bases de dados de exames podem ultrapassar as barreiras de terabytes. Fato este, combinado com a lei brasileira de obrigatoriamente manter exames radiológicos arquivados por no mínimo 20 anos, afeta diretamente a gestão de grandes volumes de dados. Este trabalho apresenta o desenvolvimento, avaliação empírica e discussão sobre o emprego do formato de dado hierárquicos HDF5 em conjunto com o núcleo de indexação e busca Apache Lucene. Para a validação da camada de persistência, foram realizados testes de desempenho entre a abordagem proposta contra o modelo em banco de dados relacional PostgreSQL usado na Rede Catarinense de Telemedicina. O desempenho do serviço de armazenamento, em conformidade com o padrão DICOM, foi analisado variando o volume de dados transmitidos entre cliente e servidor. As buscas sobre informações de um exame já realizado abrangeram cenários típicos como a consulta de exames de um paciente específico ou exames pertencentes a um intervalo temporal de dados. A recuperação avaliou três distintos casos: estudo, série ou imagem. Embora mostrando um desempenho superior em cenários de consulta com o uso do PostgreSQL, o uso combinado de HDF5 com Apache Lucene apresenta um meio eficiente de armazenar e recuperar imagens médicas DICOM, pois une o alto desempenho do HDF5 com a funcionalidade de consulta dos dados indexados. Neste ponto, o uso de uma camada para gerenciamento de exames médicos em DICOM, empregando o HDF5 juntamente com Apache Lucene, se apresentou como uma alternativa viável e eficiente. Além disso, trabalhos futuros podem aproveitar algumas características do formato HDF5, como obtenção direta do conteúdo da imagem médica e metadados por ferramentas para auxílio ao diagnóstico, tais como visão multimodal e processamento digital de imagens.The variety of modalities produced by the increasing number of devices that are capable of generating large sets of medical images using DICOM standard has been growing. Consequently, with the ongoing process of digitization of radiology sectors, the examinations database can exceed the terabytes barrier. This fact, combined with the Brazilian law of storing radiological examinations archived for at least 20 years, directly affects the management of large volumes of data. This paper presents the concept, development, assessment and discussion of the combined employment of the hierarchical data format HDF5 with the search engine library Apache Lucene. The validating process of the persistence layer, was carried out by performance tests over the proposed approach compared to the current model based on PostgreSQL and used in the Santa Catarina's Telemedicine Network. The storage service performance in compliance with the DICOM standard was analyzed by interchanging the volume of data transmitted between client and server. The search covered typical scenarios such as search examinations within a time interval or for specific patient. Retrieval operations evaluated three different cases: study, series or image. Although showing superior performance while using PostgreSQL in querying scenarios, the combined use of HDF5 with Apache Lucene provides an suitable way to store and retrieve medical images in DICOM, because it combines the high performance of HDF5 with the query functionality of the indexed data. At this point, the use of a management layer for medical examinations in DICOM, combined with HDF5 and Apache Lucene presented itself as an efficient and viable option. In addition, future studies can take advantage of some features from the HDF5 library, such as direct medical image content retrieval and metadata for computed aid diagnosis, such as multimodal vision and digital image processing

Uma proposta de arquitetura de alto desempenho para sistemas PACS baseada em extensões de banco de dados

Orientador : Prof. Dr. Aldo Von WangenheimTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Informática. Defesa: Curitiba, 25/07/2014Inclui referênciasResumo: O uso de imagens digitais no processo de diagnóstico médico é observável em diferentes escalas e cenários de aplicação, tendo evoluído em termos de volume de dados adquiridos e número de modalidades de exame atendidas. A organização desse conteúdo digital, comumente representado por conjuntos de imagens no pa-drão DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), costuma ser dele-gada a sistemas PACS (Picture Archiving and Communication System) baseados na agregação de componentes heterogêneos de hardware e software. Parte desses componentes interage de forma a compor a camada de armazenamento do PACS, responsável pela persistência de toda e qualquer imagem digital que, em algum momento, foi adquirida ou visualizada/manipulada via sistema. Apesar de emprega-rem recursos altamente especializados como SGBDs (Sistemas Gerenciadores de Banco de Dados), as camadas de armazenamento PACS atuais são visualizadas e utilizadas como simples repositórios de dados, assumindo um comportamento pas-sivo (ou seja, sem a agregação de regras de negócio) quando comparadas a outros componentes do sistema. Neste trabalho, propõe-se uma nova arquitetura PACS simplificada baseada em alterações na sua camada de armazenamento. As alterações previstas baseiam-se na troca do perfil passivo assumido atualmente por essa camada por um perfil ativo, utilizando-se de recursos de extensibilidade e de distribuição de dados (hoje não empregados) disponibilizados por seus componentes. A arquitetura proposta concentra-se na comunicação e no armazenamento de dados, utilizando-se de ex-tensões de SGBDs e de estruturas heterogêneas para armazenamento de dados convencionais e não convencionais, provendo alto desempenho em termos de es-calabilidade, suporte a grandes volumes de conteúdo e processamento descentrali-zado de consultas. Estruturalmente, a arquitetura proposta é formada por um con-junto de módulos projetados de forma a explorar as opções de extensibilidade pre-sentes em SGBDs, incorporando características e funcionalidades originalmente dis-tribuídas entre outros componentes do PACS (na forma de regras de negócio). Em nível de protótipo, resultados obtidos a partir de experimentos indicam a viabilidade de uso da arquitetura proposta, explicitando ganhos de desempenho na pesquisa de metadados e na recuperação de imagens DICOM quando comparados a arquiteturas PACS convencionais. A flexibilidade da proposta quanto à adoção de tecnologias de armazenamento heterogêneas também é avaliada positivamente, permitindo estender a camada de armazenamento PACS em termos de escalabili-dade, poder de processamento, tolerância a falhas e representação de conteúdo. Palavras-chave: PACS, DICOM, SGBD, extensibilidade, alto desempenho.Abstract: The use of digital images on medical diagnosis is observable in a number of application scenarios and in different scales, growing in terms of volume of data and contemplated medical specialties. To organize this digital content composed by image datasets in DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), it is usual to adopt PACS (Picture Archiving and Communication System), an architecture built as an aggregation of hardware and software components. Some of these components compose the so-called PACS's storage layer, responsible for the persistence of every digital image acquired or visualized/manipulated through the system. Despite their high-specialized components (e.g., DBMS - Database Management System), PACS storage layers used today are visualized as simple data repositories, assuming a passive role (i.e., without the implementation of business rules) when compared to other components. In this work, a simplified, new architecture is proposed for PACS, based in modifications on its storage layer. The modifications are based in the replacement of the current passive role by an active one, using extensibility and data distribution resources available on its components. The proposed architecture focuses on communication and data storage, using DBMS extensions and heterogeneous structures for the storage of conventional and non-conventional data, providing high-performance in terms of scalability, support to large volumes of data and decentralized query processing. Structurally, the proposed architecture is composed by a set of modules designed to explore extensibility options available in DBMSs, incorporating characteristics and functionalities originally distributed as business rules among other components of PACS. At prototype level, results obtained through experiments indicate the viability of the proposal, making explicit the performance gains in the search for metadata and image retrieval when compared to conventional PACS architectures. The flexibility of the proposal regarding the adoption of heterogeneous storage technologies is also positively evaluated, allowing the extension of the PACS storage layer in terms of scalability, processing power, fault tolerance and content representation. Keywords: PACS, DICOM, DBMS, extensibility, High-Performance Computing