Ramon Gomes Costa. Uma Infraestrutura Baseada em Grid para Interoperabilidade de PACS Distribuídos e Heterogêneos

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1 Ramon Gomes Costa Uma Infraestrutura Baseada em Grid para Interoperabilidade de PACS Distribuídos e Heterogêneos Vitória - ES 2008

2 Ramon Gomes Costa Uma Infraestrutura Baseada em Grid para Interoperabilidade de PACS Distribuídos e Heterogêneos Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Informática do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, como requisito parcial para obtenção do Grau de Mestre em Informática, na área de concentração em Banco de Dados Distribuídos. Orientador: Prof. Dr. Alvaro C. P. Barbosa Co-orientador: Prof. Dr. Saulo Bortolon Universidade Federal do Espírito Santo - UFES Centro Tecnológico Departamento de Informática Vitória - ES 2008

3 Uma Infraestrutura Baseada em Grid para Interoperabilidade de PACS Distribuídos e Heterogêneos COMISSÃO EXAMINADORA Prof. Dr. Alvaro Cesar Pereira Barbosa Universidade Federal do Espírito Santo Orientador Prof. Dr. Saulo Bortolon Universidade Federal do Espírito Santo Co-orientador Prof. Dr. João Paulo Andrade Almeida Universidade Federal do Espírito Santo Membro Interno Prof. Dr. Bruno Richard Schulze Laboratório Nacional de Computação Científica Membro Externo Vitória, 28 de Agosto de 2008.

4 Dedico este trabalho em memória de minha filha Lana, onde quer que esteja, papai sempre te amará!

5 Agradecimentos Tenho certeza que não conseguiria nada se muitos não tivessem me ajudado nesta caminhada, tenho muito a agradecer à faculdade Doctum, a qual me cedeu espaço e apostou em meu trabalho durante este tempo. Agradeço ao meu orientador Alvaro Cesar Pereira Barbosa, que me ajudou em tudo neste tempo e me possibilitou desenvolver este projeto nesta universidade. Agradeço ao meu co-orientador Saulo Bortolon, por ter auxiliado neste projeto durante o período que mais precisamos. Agradeço à CAPES, a qual concedeu a bolsa para que meu estudo fosse possível. Agradeço aos colegas de mestrado (Carlos, André Costa, André Gustavo, William, Vinícius e muitos outros) por compartilharem os momentos de estudo. Agradeço aos professores do Departamento de Informática da UFES, os quais foram muito importantes durante este período, concedendo seus conhecimentos para a minha formação. Dentre todos após Deus, sem nenhuma dúvida, a pessoa que mais ajudou foi minha esposa Simone, sempre me deu ânimo, mesmo quando perdemos nossa filhinha linda Lana. Ninguém saberá o que passamos! Te agradeço do fundo do meu coração. Agradeço a minha filha Brisa por viver comigo e me ajudar a ser feliz neste mundo, me mostrando que através de poucas coisas é possível ser feliz. Agradeço à minha mãe e toda minha familia que me apoiou. Agradeço a Deus por esta caminhada, sem Sua proteção, não poderia ter chegado aqui. Os planos de Deus tem se concretizado, e tenho certeza que ainda tenho mais vitórias a conquistar.

6 Feliz é a pessoa que busca a sabedoria e a compreensão pois mais vale isto que a prata e o ouro. (PV 3.13,14)

7 Abstract A PACS (Picture Archiving and Communication System) integrates image acquisition devices, archiving units, computational processing and healthcare image database in networked systems. Grid is a type of parallel and distributed system that enables the sharing, selection, and aggregation of geographically distributed autonomous resources dynamically at runtime depending on their availability, capability, performance, cost, and users quality-of-service requirements. PACS, in general, are stand-alone systems having its own image storage and patients records format. It was not designed to enable interoperability. This work presents a system to integrate distributed and heterogeneous PACS using grid computing for the execution of distributed queries and for image visualization. This system enables the implementation of image queries over PACS systems demanding high and distributed processing power.

8 Resumo Um PACS (Picture Archiving and Communication System) compreende dispositivos de aquisição de imagem, unidades de armazenamento, processamento computacional e bancos de dados de imagens médicas integrados em rede. Grid, por sua vez, é um tipo de sistema distribuído e paralelo que possibilita o compartilhamento, pesquisa e composição dinâmica, em tempo de execução, de recursos autônomos geograficamente distribuídos de acordo com a sua disponibilidade, capacidade, performance e custo, para a qualidade de serviço do usuário. Os PACS, em geral, são sistemas stand-alone que têm seu próprio formato para armazenar imagens e informações de pacientes e não foram projetados para possibilitar a interoperabilidade. Este trabalho apresenta um sistema para a integração de PACS distribuídos e heterogêneos usando Grid para a execução de consultas distribuídas e visualização de imagens. O sistema permite a realização de consultas sobre imagens armazenadas em PACS que demandam alto poder de processamento distribuído.

9 Lista de Acrônimos CoDIMS CQL CT DGIS DICOM ECG EPR GRAM HIS HOI ICD IUPAC JDBC LOINC LPRM MDS MEC MECD MEDICUS MO MRI NDC OGSA OGSI PACS PEC RIS Configurable Data Integration Middleware System cagrid Query Language Computed Tomography DICOM Grid Interface Service Digital Imaging and Communication in Medicine Electrocardiogram Electronic Pacients Record Globus Resource Allocation Manager Hospital Information System Health Outcomes Institute International Classification of Diseases International Union of Pure and Applied Chemistry Java Database Connectivity Logical Observation Identifier Names and Codes Laboratório de Pesquisa em Redes e Multimídia Monitoring and Discovery Service Máquina de Execução de Consultas Máquina de Execução de Consultas Distribuída Medical Imaging and Computing for Unified Information Sharing microscopia óptica Magnectic Resonance Imaging National Drug Codes Open Grid Services Architecture Open Grid Services Infrastructure Picture Archiving and Communication System Plano de Execução de Consultas Radiology Information System

10 RUTE SGBD SGBDD SNOMED SOA SQL SR SUS TISS UMDNS UML UMLS WADO WSDL Rede Universitária de Telemedicina Sistema Gerenciador de Banco de Dados Sistema Gerenciador de Bancos de Dados Distribuídos Systemized Nomenclature of Medicine Service Oriented Architecture Structured Query Language Structured Report Sistema Único de Saúde Troca de Informações em Saúde Suplementar Universal Medical Device Nomenclature System Unified Modeling Language Unified Medical Language System Web Access to DICOM Objects Web Services Description Language

11 Lista de Figuras 1 Infra-estrutura instalada p Gerência de imagens médicas usando DGIS p O gateway entre os PACS e o Grid p Arquitetura do VirtualPACS [Sharma et al. 2007] p Uma consulta utilizando DICOM C-Find p Uma consulta em CQL usando NCIA DICOM Data Model..... p CoDIMS: Configurable Data Integration Middleware System.... p CoDIMS-Grid proposto por [Trevisol et al. 2007] p Uma consulta em SQL enviada para o CoDIMS-Grid p Um PEC gerado pelo Processador de Consultas do CoDIMS-Grid. p Um trecho do PEC mostrado na Figura p Imagem de Microscopia Óptica em baciloscopia p Assinaturas de bacilos para reconhecimento automatizado p Componentes básico de um PACS e seu fluxo de dados p Protocolos e Normas utilizadas para a interoperabilidade com PACS p A Estrutura de informações definidas por DICOM p O modelo da estrutura DICOM p Arquitetura do CoDIMS-Grid PACS p As interfaces com a camada Acesso a Grid p Exemplo de Execução de Consulta p Diagrama de nível lógico do banco de dados do PACS O3-DPACS. p. 62

12 22 Diagrama de nível lógico do banco de dados do PACS DCM4CHE. p Consultas sobre o CoDIMS-Grid PACS p Resultado de uma consulta feita no ambiente de Grid p Imagem sendo visualizada p Ambiente instalado p. 69

13 Lista de Tabelas 1 Comandos DICOM p Uma consulta enviada ao CoDIMS-Grid PACS p Um PEC inicial gerado pelo componente Processador de Consultas p Uma requisição de imagem usando WADO p Relações envolvidas no exemplo p Exemplos de modalidades suportadas p Uma requisição utilizando WADO p Configuração da Infra-estrutura utilizada p. 67

14 Sumário 1 Introdução p Contexto p Motivação p Objetivo p Contribuições esperadas p Trabalhos Relacionados p Globus MEDICUS p VirtualPACS p CoDIMS-Grid p Desafios Futuros p Quantidade de imagens a serem armazenadas p Tamanho das imagens transportadas p Replicação e Back-up p Controle de Acesso e Privacidade p Composição e processamento de imagens de microscopia.. p Descoberta de imagens de um paciente em diferentes PACS. p Marcação de Exames p Conceitos e Tecnologias p Computação em Grid p. 38

15 3.2 PACS - Picture Archiving and Communication System p Gateway de aquisição de imagens e dados p Servidor de armazenamento e controle p Estação de visualização p Padrões para troca de mensagem na área de Informática em Saúde. p HL7 Health Level Seven p DICOM - Digital Imaging Communications in Medicine... p WADO - Web Access to DICOM Objects p Especificação Funcional p Descrição do ambiente p Exemplo de Uso da Infraestrutura p Descrição da Aplicação p Conclusão p Conclusões Gerais p Contribuições e Publicações p Trabalhos Futuros p. 73 Referências p. 75 Apêndice A -- Estruturas dos PACS p. 80 A.1 Estrutura do banco de dados do PACS O3-DPACS p. 80 A.2 Estrutura do banco de dados do PACS DCM4CHE p. 83 Apêndice B -- Scripts para a construção da infra-estrutura Grid p. 89 B.1 Script para instalação do ambiente Grid p. 89 B.2 Script para configuração das variáveis de ambiente p. 97

16 B.3 Script para configuração do ambiente p. 99

17 16 1 Introdução 1.1 Contexto Na área da saúde tem se tornado comum a necessidade de integrar e compartilhar dados e operações entre diferentes sistemas. Neste sentido, diversas soluções têm sido estudadas e propostas [Erberich et al. 2007, Sharma et al. 2007, Gurcan et al. 2007]. Tal necessidade surge tanto entre instituições diferentes quanto entre sistemas de uma mesma instituição, como por exemplo, na integração de sistema de informações hospitalares (HIS - Hospital Information System), prontuário eletrônico de pacientes (EPR - Electronic Pacients Record), sistema de informações de radiologia (RIS - Radiology Information System), entre outros [Bakker 1991, Furuie et al. 2003]. Uma família de sistemas de informação de grande importância na área da saúde, atualmente, é a dos Sistemas de Imagens Médicas. Dentro dessa família destacam-se os PACS (Picture Archiving and Communication System - Sistema de Comunicação e Arquivamento de Imagens) [Huang 2004]: dispositivos de aquisição de imagem, unidades de armazenamento, processamento computacional e bancos de dados de imagens médicas integrados em rede. Os PACS tem sido de grande auxílio na áreas de Informática em Saúde, principalmente na prática da radiologia, por diminuir o uso de papel e filme radiológico, permitir revisões consistentes, melhorar o tempo e precisão dos diagnósticos e compartilhar imagens entre diferentes equipamentos, profissionais de saúde e estações de visualização. O sucesso dessas aplicações vem da adoção generalizada do padrão DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) [NEMA 2008]: um conjunto de normas para tratamento, armazenamento e transmissão de informação e de imagens médicas, encapsuladas com suas informações inerentes, em um formato eletrônico, padronizando as mensagens trocadas entre os subsistemas. Desse modo, informações sobre determinado paciente, tais

18 17 como dados demográficos e histórico são encapsulados junto com informações que indicam como a imagem deve ser apresentada, como por exemplo o tamanho em pixels, resolução, contraste, etc. Os sistemas PACS são desenvolvidos com suas próprias formas de armazenamento de imagens e informações de pacientes e em suas primeiras implementações não foram projetados para a interoperabilidade com PACS de outros fabricantes. A utilização do DICOM veio permitir a conectividade entre diferentes PACS, estabelecendo protocolo padronizado de trocas de mensagens. O DICOM foi adotado internacionalmente como o padrão de fato de troca de informações na área de imágens médicas. O mesmo processo se deu em relação à administração de sistemas e processos em saúde com o padrão de troca de mensagens HL7 nos EUA, Europa e Japão. Um padrão de trocas de mensagens, entretanto, não é suficiente para dar suporte à interoperabilidade. Um middleware de integração pode complementar os padrões de troca de mensagens na construção de uma federação de sistemas PACS. Através de uma federação, instituições de saúde dispersas geograficamente podem utilizar-se de uma organização virtual para integrar e compartilhar imagens e recursos computacionais. Tais middlewares têm sido desenvolvidos e aplicados a diversos campos (setor financeiro, por exemplo). A área da saúde, devido à ampla adoção dos padrões de trocas de informação (HL7 e DICOM são exemplos), traz uma especificidade: os middlewares de integração podem aproveitar-se destes padrões para a construção de modelos de referência. Isto facilita a integração de novos sistemas à organização vitual. Um exemplo análogo desta especificidade na área da saúde ocorre entre o ebxml e o IHE-XDS. O ebxml é um conjunto de padrões baseados em XML patrocinados pela OASIS cuja missão é prover uma infraestrutura que permita a troca global de informações eletrônicas relacionadas a negócios de qualquer natureza (varejo e finanças, por exemplo) de uma forma segura, consistente e interoperável. Provê padrões para a modelagem/troca de informações baseadas em XML sobre processos de negócio, protocolos de colaboração entre sistemas, componentes de dados, mensagens, registros e repositórios. Estes últimos (registros e repositórios) foram adaptados pela iniciativa IHE (Integrating the Healthcare Enterprise), adaptando-se-lhes os modelos de informação HL7 para a criação de registros e repositórios específicos para a área

19 18 da saúde: o padrão IHE-XDS. Além da integração de dados, middlewares também podem permitir o compartilhamento de recursos computacionais dentro da organização virtual. Por exemplo, um Grid. Um Grid [Foster et al. 2002] é um ambiente computacional que provê o processamento de aplicações em paralelo que podem cooperar entre si em uma determinada tarefa em um ambiente seguro, transparente, coordenado e escalável onde as aplicações podem estar geograficamente dispersas. Assim, sistemas middleware de integração de dados voltados para aplicações de saúde podem ser usados em conjunto com a computação em Grid para melhorar o desempenho, a estrutura e o uso estável de recursos compartilhados, por meio de uma organização virtual capaz de criar interoperabilidade entre diversos dispositivos [Montagnat, Bellet e Benoit-Cattin 2004, Erberich et al. 2007]. 1.2 Motivação O projeto e desenvolvimento de sistemas middleware de integração de dados é uma atividade complexa, pois estes devem suportar diferentes recursos computacionais, tecnologias, modelos de dados, estratégias para o processamento de consultas, dentre outros problemas. Middleware de integração de dados podem ser desenvolvidos utilizando-se os mesmos conceitos encontrados em integração de bancos de dados distribuídos. A integração de bancos de dados distribuídos envolve o processo pelo qual as informações de bancos de dados participantes podem ser integradas conceitualmente para formar uma definição coesa de um banco de dados múltiplo [Özsu e Valduriez 2001]. No caso de middleware de integração de dados, pretende-se fazer a integração de diferentes tipos de fontes de dados e não apenas de bancos de dados. Integração de dados é um problema ubíquo e criticamente importante que vem demandando pesquisa na área de banco de dados por mais de uma década [Abiteboul 2005, Sheth e Larson 1990], com várias questões ainda em aberto [Ziegler e Dittrich 2004, Chiticariu et al. 2007]. Atualmente, pode-se explorar oportunidades para combinar bancos de dados e tecnologias relacionadas que incrementam o uso da informação [Abiteboul 2005]. A partir da experiência adquirida na pesquisa e desenvolvimento de sistemas

20 19 middleware de integração de dados, em particular o CoDIMS (Configurable Data Integration Middleware System), [Barbosa, Porto e Melo 2002, Fontes et al. 2004, Silva et al. 2006, Trevisol et al. 2007, Oliveira e Barbosa 2007], decidiu-se investigar novas abordagens e desenvolver novas aplicações a serem usadas na área de Informática em Saúde. Em particular, é de interesse a interoperabilidade entre PACS utilizando Grid. O desenvolvimento deste trabalho se iniciou em parceria com outros projetos de pesquisa e pesquisadores do Hospital Universitário da UFES. Tais projetos são descritos brevemente, abaixo: 1. Software Livre e Interoperabilidade em Saúde: Aplicações em Radiologia, Cardiologia e Reumatologia - financiamento 2007 FAPES 1 : Objetiva explorar a Infra-estrutura da RUTE (Rede Universitária de Telemedicina) para pesquisar, desenvolver, testar e implantar soluções de software livre para PACS e desenvolver soluções para integrar o prontuário tradicional, baseado em papel, com sistemas de imagens, através de soluções de digitalização de baixo custo; 2. Federação de PACS-DICOM para Telepatologia e Pesquisa de Doenças Infecciosas usando Microscopia - Financiamento 2008 FINEP 2 : visa adaptar o padrão DICOM a imagens JPEG2000 provenientes de lâminas virtuais, integrar um sistema PACS-DICOM em um Grid federativo para suporte à pesquisa em doenças infecciosas e apoio ao diagnóstico da tuberculose em exames de microscopia usando processamento de imagens e reconhecimento de padrões. Este cenário torna os seguintes desafios a serem explorados: 1. Quantidade de imagens a serem armazenadas: Pesquisar soluções e o uso de tecnologias apropriadas visando um menor tempo para o armazenamento, acesso e transmissão de imagens. 2. Replicação e back-up: Utilização de Grid para permitir a replicação e, conseqüentemente, prover maior confiabilidade e disponibilidade. 3. Controle de acesso e privacidade: Prover mecanismos para determinar e autorizar acessos a dados de pacientes, de acordo com normas legais preestabelecidas. 1 Fundação de Apoio a Ciência e Tecnologia do Estado do Espírito Santo 2 Financiadora de Estudos e Projetos

21 20 4. Tamanho das imagens transportadas: Utilizar a fragmentação de imagens a fim de que possam ser transportadas como uma série. 5. Composição e processamento de imagens de microscopia: Criar softwares para diagnósticos de imagens médicas e algoritmos capazes de reconhecer bacilos em lâminas dispersas em Grid. 6. Descoberta de imagens de um paciente em diferentes PACS: Construir um ambiente para acesso integrado a dados de pacientes, armazenados em PACS, RIS e HIS distintos. 7. Marcação de exames: Reconhecer, para uma mesma especialidade, agendamentos de consultas e exames em diferentes clínicas e hospitais conveniados. Este trabalho, apresenta um sistema para integração de PACS distribuídos e heterogêneos utilizando Grid para o acesso, composição de resultados e visualização de imagens. Propõe-se o uso de um middleware de integração de dados, nesse caso, o CoDIMS, criando uma instância deste, que possibilite o acesso remoto a imagens médicas armazenadas em PACS construídos em software livre. Para isto, será necessário construir uma infra-estrutura de serviços como a ilustrada na Figura 1. Nela, em cada um dos nós, será instalado um PACS distinto, dentre os PACS em software livre estudados, a saber: DCM4CHE [DCM4CHE] e O3-DPACS [O3]. O processo de visualização das imagens transportadas dos PACS pode ser feito de diversas formas, utilizando-se navegadores Web ou em aplicativos desktop: 1. através de requisições que realizam o tráfego da imagem em formato comprimido; 2. através de requisições que realizam o tráfego da imagem em formato definido por DICOM, com cabeçalhos e imagem em um mesmo arquivo; 3. em uma série que possibilita a visualização em frames subseqüentes. 1.3 Objetivo O objetivo deste trabalho é desenvolver uma infra-estrutura de serviços para a integração de PACS distribuídos e heterogêneos usando Grid para a execução de

22 21 Figura 1: Infra-estrutura instalada consultas distribuídas e a visualização de imagens de pacientes. Pretende-se que, a partir da disponibilidade dessa infra-estrutura, seja possível desenvolver/incorporar novas aplicações que possam suprir alguns dos desafios enumerados na seção anterior. 1.4 Contribuições esperadas Este trabalho contribui com o desenvolvimento de dois projetos de pesquisa atualmente em execução. Estes projetos visam desenvolver aplicações na área de Informática em Saúde, em particular, tratamento de imagens digitalizadas de exames médicos, utilizando software livre. Nos projetos citados, pretendem-se desenvolver aplicações que possam ser utilizadas pelo SUS (Sistema Único de Saúde) para permitir uma melhoria e rapidez no diagnóstico de doenças, o que pode diminuir o tempo de internação, evitar o deslocamento para realização de exames em centros de referência, melhorando o serviço de atendimento à população com menor custo. Em particular pretende-se disponibilizar um sistema PACS no Hospital Universitário da UFES, apoiando a criação e manutenção destes sistemas em hospitais e clínicas da Grande Vitória e do Estado do Espírito Santo.

23 22 O trabalho está assim dividido: o capítulo 2 apresenta alguns trabalhos relacionados mais citados na literatura. O capítulo 3 define os principais conceitos e tecnologias envolvidas neste trabalho. No capítulo 4, apresenta a especificação funcional. O capítulo 5 ilustra um estudo de caso para este ambiente e o capítulo 6 conclui este trabalho.

24 23 2 Trabalhos Relacionados Este capítulo, descreve inicialmente, trabalhos fortemente relacionados à proposta aqui apresentada. Ao seu fim, ilustra outras propostas pertinentes ao assunto abordado, trabalhos estes correlacionados ao desenvolvimento deste trabalho. São eles: Globus Medicus: um projeto da Globus Alliance que tem sido de referência para vários outros sistemas utilizados na área de Informática em Saúde; Virtual PACS: um projeto para a criação de uma ambiente federado de múltiplas fontes de dados remotas; CoDIMS-GRID: um projeto para a criação de middlewares de integração de dados flexíveis e configuráveis; e Desafios Futuros: ilustração de algumas pesquisas que estão co-relacionadas ao projeto ao qual este trabalho está vinculado. A cada seção, algumas características dos trabalhos relacionados são apresentadas de forma resumida e ao final, estas características são comparadas com a proposta desta dissertação, ressaltando quando possível, suas semelhanças e diferenças. 2.1 Globus MEDICUS PACS geralmente são feitos por grandes corporações que se esforçam na criação de tecnologias de interface entre eles. Deste modo, quando outro sistema necessita ser incorporado (como por exemplo, os HIS - Hospital Information System e RIS - Radiology Information System), apenas estas empresas obtêm o conhecimento da tecnologia para a interoperabilidade, visto que, para cada empresa diferente, um esquema de banco de dados distinto é utilizado, além de diferentes formas de armazenamento, recuperação e tipos de dados utilizados. Uma das aspirações do Globus MEDICUS é fazer com que o custo de desenvolvimento de novos sistemas para este fim seja drasticamente reduzido. Segundo [Erberich et al. 2007], a construção de sistemas que utilizam um padrão de interoperabilidade e infra-estrutura baseada em uma arquitetura orientada a serviços (SOA - Service Oriented Architecture)

25 24 [Josuttis 2006], torna mais fácil a tarefa de acoplar outras partes de código. Pois estes sistemas são publicados na internet como um serviço (tais como: armazenamento, processamento de imagens e mineração de dados). Globus MEDICUS (Medical Imaging and Computing for Unified Information Sharing) é um projeto do Globus Alliance Incubator, um projeto colaborativo entre a Universidade Southern California e o Information Science Institute que busca promover o compartilhamento de informações e imagens médicas [Erberich et al. 2007]. Figura 2: Gerência de imagens médicas usando DGIS A Figura 2 ilustra os principais serviços que compõem o projeto Globus MEDI- CUS. Estes serviços são: DGIS - DICOM Grid Interface Service: É o broker que faz interface com os outros componentes citados adiante [Erberich et al. 2006]; OGSA-DAI - Data Access and Information Service: É usado para acesso ao meta-catálogo do MEDICUS [OGSA 2005]; GridFTP: Responsável por transportar os dados e imagens para o ambiente Grid [Allcock et al. 2002];

26 25 RLS - Replica Location Service: Responsável pelo indexador de imagens e localização de armazenamento físico dos dados [Chervenak et al. 2004]; Serviços de segurança: O Shibboleth [Workshop 2006] é um dos serviços de segurança a ser citado. O objetivo do projeto Globus MEDICUS é prover transparência e soluções em Software Livre para o processamento e compartilhamento de imagens médicas entre clínicas, médicos e centros de pesquisas médicas. Para tanto, utiliza o DGIS (DI- COM Grid Interface Service), para formar um gateway entre os PACS e o Grid. O componente MEDICUS Gateway (Figura 3) compreende todos os serviços ilustrados na Figura 2. Figura 3: O gateway entre os PACS e o Grid DGIS usa banco de dados relacional para armazenar informações de metadados e índices de atributos DICOM relevantes. Globus MEDICUS visa criar uma compilação do Globus Toolkit [Globus 2004] para a comunicação de imagens médicas, diagnósticos e dados relacionados entre as instituições que utilizam o ambiente Grid para a federação, o compartilhamento e a virtualização em larga escala de imagens médicas usando o padrão DICOM, utilizando OGSA (Open Grid Service Architecture) [Foster e Gannon 2003]. O projeto Globus MEDICUS é baseado no conceito de um gateway, que faz a mediação entre um ambiente que utiliza DICOM e uma Organização Virtual em Grid (nós que compõem uma Grid Computacional credenciados como cliente ou servidor de informações e imagens de pacientes). A partir deste paradigma, nenhuma mudança sobre os dispositivos baseados em DICOM precisa sem feita. A Figura 3 ilustra o MEDICUS gateway, descrito aqui. Ele tem basicamente quatro funcionalidades:

27 26 1. Tradutor entre protocolos DICOM/Grid; 2. Descobridor de Metadados e arquivos lógicos; 3. Responsável pelo transporte de dados e imagens; 4. Responsável pelo armazenamento de dados e imagens em cache. O DGIS atua como intermediário em todas as requisições, o que gera overhead, apesar de utilizar multithread: ao invés disto, o uso de thread poderia ser utilizado para gerência de outros nós os quais processam as requisições, assim, possivelmente o ambiente obteria uma melhor performance. Além disso, trata a heterogeneidade de modelos e não das informações, como por exemplo, um mesmo paciente que tem códigos diferentes em diferentes clínicas de tratamento. O Globus MEDICUS, por si só, não pode ser considerado um middleware de integração de dados, pois não contém diversas funcionalidades que um sistema middleware de integração de dados provê, a saber: otimizador de consultas, reescritor de consultas, máquina de consulta distribuída, etc [Özsu e Valduriez 2001]. Portanto, para um ambiente ser capaz de criar interoperabilidade entre PACS através de consultas distribuídas, é aconselhável a utilização de Sistemas Gerenciadores de Bancos de Dados Distribuídos (SGBDD) ou Middlewares de Integração de Dados. Neste contexto, o CoDIMS-Grid [Trevisol et al. 2007] pode ser citado como um dos sistemas para este fim. 2.2 VirtualPACS [Sharma et al. 2007] descreve VirtualPACS como sendo um servidor de PACS- DICOM virtualizado que cria uma federação de múltiplas fontes de dados remotas, incluindo as que não suportam mensagens DICOM, apresentando-as para um cliente DICOM como um único recurso virtual. Isto torna o sistema transparente a ponto de que seja possível o cliente interagir com elas como se estivesse fazendo interface com um único PACS centralizado. Ainda, segundo [Sharma et al. 2007], uma federação de fontes de dados de imagens requer: 1. uma representação comum dos dados entre as fontes de dados;

28 27 2. ferramentas para transformação dos modelos de dados das fontes; 3. um mecanismo para descobrir fontes de dados no ambiente; 4. um mecanismo para interagir com fontes de dados seguras e inseguras; 5. um mecanismo para traduzir uma requisição DICOM para uma nova requisição que a fonte entenda. Para atender a estes objetivos, a plataforma VirtualPACS apresenta três camadas (Figura 4). A camada de Mediação fica responsável pelos itens 1 e 2. A camada de Middleware implementa suporte para os itens 3 e 4. Finalmente, o requisito 5 é atendido pela camada de Apresentação. Figura 4: Arquitetura do VirtualPACS [Sharma et al. 2007] Diferente do projeto MEDICUS, que suporta apenas bancos de dados em SQL para publicação e descoberta de serviços, o VirtualPACS disponibiliza uma camada intermediária para que estações de trabalho possam fazer suas requisições e transformar em um modelo comum de linguagem chamado CQL (cagrid Query Language) [CQL, Oster et al. 2007]. Essa transformação para o modelo CQL, necessária neste

29 28 ambiente, gera overhead. A camada de apresentação é uma aplicação instalada no cliente. Todo cliente deve interagir com esta camada através de uma requisição usando o protocolo DICOM especificado em DICOM part-8 [NEMA 2008]. VirtualPACS, tal como o Globus MEDICUS, trata a heterogeneidade de modelos e não dos dados. Em [Sharma et al. 2007], o VirtualPACS é utilizado em conjunto com as seguintes aplicações cliente: Osirix [Rosset et al. 2005], K-PACS [Knopke] e Pixelmed [Clunie], sendo que todas as estações de trabalho fazem requisições através de operações DICOM, no formato especificado por objetos DICOM. O VirtualPACS instalado na máquina cliente faz o papel de um gateway entre os clientes locais DICOM e as fontes remotas. Ele transforma as requisições DICOM para CQL antes de enviar para a camada middleware. O Osirix, por exemplo, pode enviar uma requisição usando DICOM C-Find (Figura 5) ao VirtualPACS, que a transforma em uma consulta em CQL e a repassa à camada middleware, que utiliza toda infra-estrutura do cagrid. CaGrid utiliza a CQL para a interoperabilidade através de Grid Services. Já na camada de mediação, são transformadas as requisições CQL em requisições utilizadas nas bases remotas. Figura 5: Uma consulta utilizando DICOM C-Find A camada de mediação implementa uma série de ferramentas para o mapeamento dos dados remotos para um modelo de dados que possa ser compreendido pelo framework do virtualpacs. Ou seja, esta camada é responsável por transformar DICOM nativos e não nativos para a CQL. O objeto encapsulado da imagem é representado por um modelo de dados baseado no padrão DICOM, chamado NCIA DICOM Data Model. A Figura 6 ilustra uma CQL equivalente à consulta escrita em DICOM C-Find, que foi definida na Figura 5. Utilizando-se Grid como ferramenta para a organização, segurança e acesso rápido a fontes de dados, pode ser destacado um outro projeto do mesmo grupo de pesquisa do VirtualPACS, o GridIMAGE [Gurcan et al. 2007]. Neste projeto o objetivo é enviar imagens DICOM para um grupo de especialistas humanos e algoritmos

30 29 Figura 6: Uma consulta em CQL usando NCIA DICOM Data Model de detecção, receber os resultados e comparar, posteriormente, a interpretação de cada um deles. 2.3 CoDIMS-Grid Sistemas de integração de dados vêm sendo desenvolvidos com o objetivo de fornecer, a partir de fontes de dados essencialmente heterogêneas e distribuídas, uma visão homogênea. Na tentativa de solucionar esse problema foi proposto o CoDIMS (Configurable Data Integration Middleware System)[Barbosa, Porto e Melo 2002] (Figura 7): um ambiente flexível e configurável para gerar sistemas configurados para a integração de dados heterogêneos e distribuídos. Os sistemas assim gerados são denominados instâncias do CoDIMS [Oliveira e Barbosa 2007]. Exemplos de instâncias do CoDIMS desenvolvidas especificamente para aplicações em Grid são encontradas em [Fontes et al. 2004, Silva et al. 2006, Trevisol et al. 2007]. A Figura 7 remete a sua primeira arquitetura criada. Um middleware de dados monolítico ao qual compete a funcionalidade de fazer acesso transparente às diversas fontes de dados distribuídas e heterogêneas. Pode-se destacar os componentes essenciais (segundo [Özsu e Valduriez 2001]) que um middleware de dados deve ter: gerente de metadados, reescritores, otimizadores, máquina de execução de consultas, etc. A partir desta arquitetura, diversos outros trabalhos foram criados, a saber: [Barbosa, Porto e Melo 2002, Fontes et al. 2004, Silva et al. 2006, Trevisol et al. 2007, Oliveira e Barbosa 2007]. Através destes trabalhos, uma arquitetura para ambiente de Grid foi proposta, a qual foi utilizada como principal referência para esta dissertação, o CoDIMS-Grid [Trevisol et al. 2007]. [Trevisol et al. 2007] apresenta uma MECD (Máquina de Execução de Consultas

31 30 Figura 7: CoDIMS: Configurable Data Integration Middleware System Distribuída) inserida em um ambiente de Grid para execução de sub-consultas e de operadores de uma forma distribuída e paralela. O uso da MECD possibilita: 1. Realizar o processamento distribuído do PEC (Plano de Execução de Consultas) através de operadores algébricos que serão executados remotamente nos nós do Grid; 2. Disponibilizar o resultado gerado pela execução de um operador para ser utilizado por outros operadores de acordo com hierarquia da árvore que descreve o PEC; 3. Alocar e desalocar instâncias dos operadores em nós do Grid de modo a otimizar o uso dos recursos computacionais disponíveis e diminuir o tempo de processamento da consulta. Apesar do desenvolvimento da MECD, o CoDIMS-Grid (Figura 8) não foi desenvolvido para o acesso e visualização de imagens armazenadas em PACS. Deve-se, então, ser projetada outra instância do CoDIMS para permitir não somente o acesso, mas também o processamento, a composição e a visualização de imagens de PACS

32 31 Figura 8: CoDIMS-Grid proposto por [Trevisol et al. 2007] Figura 9: Uma consulta em SQL enviada para o CoDIMS-Grid

33 32 usando Grid. A nova instância foi denominada CoDIMS-Grid PACS, conforme apresentado no capítulo 4. O CoDIMS-Grid recebe requisições em SQL (Structured Query Language). A (Figura 9 mostra uma consulta enviada para o CoDIMS-Grid). O componente Interface é reponsável por receber esta solicitação e repassá-la para o componente controle. A partir deste momento, o componente Processador de Consultas verifica os dados em relação à sua consistência sintática e semântica, reescreve a consulta gerando um PEC. Um exemplo de PEC gerado pelo componente Processador de Consultas do CoDIMS-Grid pode ser visto na Figura 10 [Trevisol et al. 2007]. A Figura 11 ilustra um fragmento de código utilizado no PEC da Figura 10. Ela demonstra como o operador da álgebra relacional referente à junção de relação é definido em um plano. Primeiramente, o plano especifica a ordem das operações que devem ser processadas, o que deve ser especificado pelo atributo ordem-execucao na tag <operador>. Neste exemplo, pode-se perceber que esta operação é a sétima a ser executada. Seguindo a hierarquia de tags, a Figura 11 demonstra três outras encapsuladas. A primeira delas é a tag <loop-nested-join-relacional> que tem como atributos duas tabelas as quais serão unidas pela execução de junção. As tags <produtor> e <executor> determinam, consecutivamente, os dados de entrada e saída para a execução da operação definida nestre trecho de código. 2.4 Desafios Futuros Nesta seção, serão abordados alguns trabalhos co-relacionados e que estão vinculados aos projetos dos quais este trabalho faz parte. As sub-seções a seguir estão assim estruturadas: a seção discute a Quantidade de imagens a serem armazenadas, a seção discute o Tamanho das imagens transportadas, a seção discute Replicação e Back-up, a seção discute sobre o Controle de Acesso e Privacidade, a seção discute a Composição e processamento de imagens de microscopia, a seção discute a Descoberta de imagens de um paciente em diferentes PACS e seção discute sobre a Marcação de Exames.

34 Figura 10: Um PEC gerado pelo Processador de Consultas do CoDIMS-Grid 33

35 34 Figura 11: Um trecho do PEC mostrado na Figura Quantidade de imagens a serem armazenadas Com o aumento da digitalização de imagens provenientes de diferentes equipamentos de captura de imagem (radiografias, mamografias, raios-x, tomografias, etc.) surge o problema de se armazenar e recuperar grandes volumes de dados de servidores PACS, RIS e HIS. Assim, devem ser pesquisadas novas soluções e o uso de tecnologias apropriadas visando um menor tempo para o armazenamento, acesso, transmissão e processamento de tais informações [Huang 2004], garantindo confiabilidade, segurança e integridade Tamanho das imagens transportadas O maior problema em se transportar grandes imagens é o fato delas excederem o limite suportável pelo DICOM de 64k x 64k pixels e 2 Gigabytes. Por exemplo, imagens de lâminas de patologia podem chegar a ter 60 Gigabytes. Uma solução é fragmentar a imagem a fim de que possam ser transportadas como uma série. Geralmente, isso é feito com imagens de tomografia computadorizada e ressonância magnética [NEMA 2008]. Porém estas séries devem ser processadas como um conjunto único de informações Replicação e Back-up Um aspecto crítico é que a tecnologia de PACS não foi projetada para suportar tolerância a falhas, necessitando de replicação, além de backups de segurança diários que podem demorar horas. Uma alternativa para superar estes problemas é a utilização de Grid, pois além de distribuir o processamento computacional, permite a replicação das aplicações e de seus dados. Conseqüentemente, há um incremento potencial da confiabilidade e disponibilidade associada às aplicações de imagens mé-

36 35 dicas [Amendolia 2005, Liu 2005, Erberich et al. 2007] Controle de Acesso e Privacidade Diferentes categorias de profissionais de saúde devem ter acesso a diferentes níveis de informações armazenadas. Neste sentido os sistemas devem prover mecanismos para determinar e autorizar acessos a dados de pacientes considerando as normas legais sobre privacidade de dados de pacientes [Huang 2004] Composição e processamento de imagens de microscopia A utilização de imagens no formato digital possibilita o uso de software para diagnóstico de imagens médicas. Tome como exemplo a Figura 12, que mostra a imagens de lâminas de MO (microscopia óptica) para exame de baciloscopia de escarro. A Figura 12 mostra um campo da lâmina visualizada no MO, usando fluorescência. Uma única lâmina pode ter de 500 a 2500 imagens como estas. Em cada uma delas, um algoritmo para reconhecimento de bacilos como o apresentado em [Forero, Cristóbal e Alvarez-Borrego 2003] pode ser usado para o diagnóstico automatizado de Tuberculose. Estas milhares de imagens podem ser processadas em nós dispersos em Grid, o número total de bacilos somados e usado para acompanhamento da evolução da doença em cada paciente. Desta forma, diversas imagens de uma mesma lâmina podem ser processadas em paralelo. A Figura 13 mostra assinaturas de bacilos, que são comparadas com as imagens do MO Descoberta de imagens de um paciente em diferentes PACS Uma contribuição para a área de saúde é o acesso completo e integrado de registros de um mesmo paciente, a partir de uma mesma estação de trabalho, dados esses armazenados em diferentes PACS, RIS, HIS, etc. de diferentes clínicas e hospitais [Jin et al. 2007]. Isso possibilitaria a um médico acessar resultados de exames laboratoriais, registros odontológicos, imagens e prontuários, considerando que um dente infeccionado pode ser a causa de uma dor de cabeça, um problema oftalmológico ou auditivo.

37 36 Figura 12: Imagem de Microscopia Óptica em baciloscopia Figura 13: Assinaturas de bacilos para reconhecimento automatizado

38 Marcação de Exames Uma outra necessidade é descobrir, para uma mesma especialidade, agendamentos de consultas e exames em diferentes clínicas/hospitais, considerando o equipamento a ser utilizado (tempo de uso, resolução, etc.), experiência do profissional e que possa ser agendado para o mais breve possível.

39 38 3 Conceitos e Tecnologias Neste capítulo, são analisados alguns conceitos e tecnologias empregados neste trabalho. A seção 3.1 descreve a abordagem de Grid Computacional, ilustrando sua definição, sua demanda e suas vantagens. A seção 3.2 descreve os sistemas PACS, seu uso e os componentes principais. Por fim, a seção 3.3 descreve alguns padrões para troca de mensagem na área de Informática em Saúde, tais como: HL7 e DICOM, além de ilustrar o uso da definição de objeto persistente WADO. 3.1 Computação em Grid Segundo Buya [Buyya e Venugopal 2005], Grid é um tipo de sistema distribuído e paralelo que possibilita o compartilhamento, pesquisa e composição dinâmica, em tempo de execução, de recursos autônomos geograficamente distribuídos de acordo com a sua disponibilidade, capacidade, performance e custo para a qualidade de serviço do usuário. O uso de Grid vem se caracterizando em projetos que demandam não apenas poder computacional, mas também projetos que demandam alto grau de escalabilidade, por prover compartilhamentos de recursos dispersos geograficamente e não demandar acoplamento forte. A computação em Grid vem crescendo muito nos dias atuais, principalmente pela existência da rede mundial de computadores e a necessidade de integração de dados, softwares e informações que demandam alta disponibilidade. Como visto, diversas áreas são beneficiadas pelo uso de um ambiente de Grid, a saber: Sistemas de réplicas para backup e uso de servidores de alta disponibilidade, sistemas de integração de dados, sistemas que necessitam de alto nível de processamento computacional, segurança, etc. Em 1993, Ian Foster criou o conceito de Grid Computing [Foster et al. 2002] para

40 39 prover acesso a recursos computacionais dispersos em várias instituições parceiras de ensino e pesquisa do laboratório de Argonne. Este conceito partiu de uma necessidade existente na época. Havia a necessidade de aproveitar o perfil de software existente em uma universidade, que de alguma forma podia contribuir para trabalhos bem elaborados, a capacidade de processamento existente em outra, a possibilidade de armazenamento disponível em um órgão governamental e a qualidade de visualização e renderização 3D encontrada em outros. Partindo da possibilidade de uso destes diversos recursos de forma organizada, integrada em rede, com segurança e em paralelo, surgiu a computação em Grid. Sistemas de integração de dados obtém diversas vantagens no uso de Grid, abaixo encontram-se algumas delas [Taurion 2004]: 1. Escalabilidade A escalabilidade pode ser medida pela capacidade de rapidez no ajuste e ao crescimento de carga. Sistemas de integração de dados devem prover a possibilidade de que novas fontes de dados sejam incluídas ao ambiente de forma constante; 2. Confiabilidade A confiabilidade, entre outras coisas, especifica que sistemas devem manter a integridade das informações, além da capacidade de recuperar e corrigir as informações corrompidas. 3. Segurança É a capacidade da infra-estrutura computacional em proteger-se de ataques ou intrusões. 4. Disponibilidade Sistemas de integração de dados devem estar disponíveis vinte e quatro horas por dia, a computação em Grid provê a alta disponibilidade por permitir a replicação de dados e o acesso como uma única organização virtual. 5. Interoperabilidade Diversas gerações de tecnologias devem conviver, pois muito dificilmente uma empresa consegue substituir seu parque de uma única vez. A computação em

41 40 Grid provê acesso a recursos pelo uso de SOA, o que faz das aplicações implementadas para rodarem em ambiente Grid prover interoperabilidade entre recursos, modelos, linguagens e hardwares heterogêneos. 6. Gerenciabilidade Representa o conjunto de facilidades e recursos que automatizam a operação dos sistemas, diminuindo a necessidade de alocação de recursos humanos. 7. Performance Grid é uma excelente alternativa para se criar um supercomputador virtual, superior em capacidade a muitos supercomputadores físicos, usando milhares de PCs e servidores, interligados pela internet, a um custo de aquisição bem menor [Taurion 2004]. 3.2 PACS - Picture Archiving and Communication System PACS (Picture Archiving and Communication System - Sistema de Comunicação e Arquivamento de Imagens) [Huang 2004]: compreende dispositivos de aquisição de imagem, unidades de armazenamento, processamento computacional e bancos de dados de imagens médicas integrados em rede. PACS tem auxiliado em áreas como Informática em Saúde, principalmente na prática da radiologia por diminuir o uso de papel e filme radiológico, permitir revisões consistentes, melhorar o tempo e precisão dos diagnósticos e compartilhar imagens entre diferentes equipamentos, profissionais de saúde e estações de visualização. A infra-estrutura dos PACS dispõe de uma arquitetura de serviços utilizada como um framework para integrar dispositivos de captura de imagens heterogêneos e distribuídos pela rede para suprir a necessidade de gerenciar informações relacionadas a pacientes. Uma infra-estrutura para PACS dispõe de serviços que possibilitam a visualização, análise e manipulação das informações dos pacientes. Uma infra-estrutura para o uso de PACS consiste em um ambiente de sistemas com diversos componentes de hardware implantados, a saber: Dispositivo para o intercâmbio de imagens, dispositivos de armazenamento, servidores, redes de comunicação e visualizadores [Huang 2004].

42 41 Ainda segundo [Huang 2004], os componentes que constituem um PACS são: um Gateway de aquisição de imagens e dados, um servidor de armazenamento e controle e uma estação de visualização integrados em rede, como mostra a Figura 14. Figura 14: Componentes básico de um PACS e seu fluxo de dados Gateway de aquisição de imagens e dados Um Gateway de aquisição de imagens e dados, utilizado em conjunto com outros softwares, é utilizado como um buffer entre a aquisição de imagens e o servidor de armazenamento e controle. Algumas das tarefas de um Gateway de aquisição de imagens e dados podem ser citadas, a saber: Obter as imagens e os dados provenientes de dispositivos de captura de imagem. Converter os dados especificados pelos fabricantes para o formato padronizado pelo PACS.

43 42 Repassar as imagens e os dados para o servidor de armazenamento e controle ou aos visualizadores Servidor de armazenamento e controle Um servidor de armazenamento e controle estabelece uma arquitetura de hardware e software que direciona o fluxo de dados no PACS. Além disto, ele provê uma hierarquia para o armazenamento das imagens. Algumas tarefas podem ser citadas, a saber: Recebimento de imagens; Empilhamento de imagens; Roteamento de imagens; Armazenamento de imagens; O agrupamento de estudos do paciente; Intercâmbio com o RIS; Atualizador do PACS; Atualizador do banco de dados do PACS; Requisitor de imagens Estação de visualização Uma estação de visualização é o componente de interface com o usuário, onde é possivel visualizar as imagens e revisar informações de pacientes. As estações de visualização podem ser de diversos tipos, tais como: estações de diagnóstico, estações de revisão, estações de análise, estações de digitalização e impressão, estações de interatividade para aprendizado e ensino e estações desktop. Para o intercâmbio de imagens do sistema de arquivo do servidor PACS, é necessário que implementações de serviços sejam feitas para este fim. Um dos serviços a ser citado é o WADO, um objeto persistente que será descrito mais adiante, na

44 43 seção Este objeto persistente possibilita o tráfegos de imagens em formato requisitado pelo visualizador, seja este formato comprimido ou disposto de cabeçalhos e informações do paciente encapsuladas. 3.3 Padrões para troca de mensagem na área de Informática em Saúde Para fazer com que dois componentes se comuniquem, é necessário um formato de dados comum e um protocolo de comunicação. Geralmente, os sistemas que armazenam as informações e imagens de medicina são criados por diferentes empresas, implementados sobre hardwares e softwares distintos. Este fato faz com que se torne difícil a transmissão de dados e imagens de um dispositivo para outro. Para resolver este problema, o esforço em se criar padrões de troca de mensagens na área de medicina tem sido intenso. Dois padrões têm se destacado para a troca de mensagens no domínio de PACS, são eles: HL7 e DICOM. A Figura 15, mostra os principais componentes e o fluxo de dados entre eles. Nesta figura, nota-se que DICOM é utilizado para a interoperabilidade entre os sistemas de imagens de medicina, tais como os PACS. O HL7 está vinculado a sistemas de informação hospitalar utilizados dentro do domínio de aplicações dos hospitais, tais como os RIS. Em um possível uso de prontuários eletrônicos (epr), as duas normas podem ser utilizadas para criar um ambiente interoperável. Os PACS foram projetados para serem utilizados em conjunto com outros sistemas de informação, tais como os Sistemas de Informação Hospitalar (HIS - Hospital Information System) e Sistemas de Informação de Radiologia (RIS - Radiology Information System). Outros dispositivos também são acoplados em um ambiente que utiliza os PACS, tais como os Visualizadores de Imagens, Dispositivos de Aquisição de Imagens (Modalities) e Estações de Trabalho que geralmente são interoperáveis através de um protocolo definido pela norma DICOM. Hoje em dia, diversos outros padrões de troca de mensagens são utilizados para a interoperabilidade, principalmente com os Prontuários Eletrônicos (epr - electronic Patient Record), dentre elas, podem ser citadas: LOINC (Logical Observation Identifier Names and Codes), NDC (National Drug Codes), UMDNS (Universal Medical Device Nomenclature System), IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), HOI (Health Outco-

45 44 mes Institute), UMLS (Unified Medical Language System), SNOMED (Systemized Nomenclature of Medicine), ICD (International Classification of Diseases), TISS (Troca de Informações em Saúde Suplementar). Figura 15: Protocolos e Normas utilizadas para a interoperabilidade com PACS HL7 Health Level Seven Padrão criado em 1987, hoje um padrão ANSI, o HL7 é específico para dados clínicos e administrativos, dentre outras coisas, possibilita a troca de informações entre HIS, RIS e PACS. Level 7, ou o nível 7 da camada OSI, é o nível que suporta funções como checagem de segurança, identificação de usuários, checagem de disponibilidades, mecanismos de negociação de trocas, e mais importante, estrutura de intercâmbio de informações. Sua meta é tornar de forma simples a implementação de interfaces entre aplicações de diferentes empresas.

46 45 O site [HL7] destaca: A missão do HL7 é prover sistemas e padrões relacionados para a troca, integração, compartilhamento e recuperação de informação eletrônica na saúde, para apoio da prática médica e administrativa, permitindo um maior controle dos serviços de saúde. Mais especificamente, para criar metodologias, padrões e diretrizes que sejam flexíveis, viáveis economicamente e que permitam a interoperabilidade e o compartilhamento de informações clínicas armazenadas eletronicamente. Estes esforços permitem uma comunicação efetiva e eficiente entre os membros de uma comunidade de profissionais da saúde como os representados em nossa sociedade, constituída por organizações internacionais, desenvolvedores de sistemas, consultores, integradores, revendedores da área e agências públicas e privadas de fomento a saúde. A missão do HL7 contempla todo o ciclo das especificações de um padrão: desenvolvimento, adoção, reconhecimento de mercado, utilização e aderência. As especificações do HL7 são unificadas por modelos de referência compartilhando informações de domínios técnicos e da área de saúde. Em outras palavra, o HL7 produz um protocolo para a troca, gerenciamento e integração de informações pertinentes aos cuidados do paciente, tais como: medicamentos utilizados em seu tratamento, entradas do paciente em cada hospital, etc, assim como a administração, distribuição e avaliação dos serviços de saúde. Especificamente, para o desenvolvimento de uma linguagem flexível, de baixo custo, parametrizada, seguindo uma metodologia que permita a interoperabilidade entre os mais diversos sistemas de informação para a área de saúde. Neste trabalho, o HL7 não é utilizado diretamente. Esta norma foi destacada aqui, por possibilitar o uso na criação de wrappers para intercâmbio de informações entre sistemas de uma mesma instituição, tais como HIS, RIS e epr DICOM - Digital Imaging Communications in Medicine DICOM (Digital Imaging Communications in Medicine - Comunicação de Imagens Digitais em Medicina ) é um conjunto de normas para o tratamento e a comu-

47 46 nicação de imagens da área de medicina que permite que imagens médicas geradas por diferentes dispositivo de captura de imagens possam se integrar com sistemas de informação da área de saúde, e principalmente, com os PACS. Em outras palavras, define um protocolo de comunicação normalizado para troca de informação entre equipamentos de imagem. Antes da criação de um método padronizado para transmissão de imagens médicas e informações associadas, cada empresa criava seu próprio protocolo para intercambiar informações entre os dispositivos de captura de imagens e os PACS. Em 1983 foi definida a primeira versão do que viria a ser a norma DICOM. Atualmente DICOM está em sua versão 3 e contém aproximadamente duas mil páginas em suas dezoito partes. Os dois componentes fundamentais de DICOM são: Information Object Class: define o conteúdo de uma série de imagens e seus relacionamentos; Service Class: que descreve o que deve ser feito com estes objetos. O modelo do DICOM é composto por quatro níveis de objetos: 1. pacientes; 2. estudos; 3. séries e equipamentos; 4. imagens, ondas e documentos SR (Structured Report). Como pode ser notado na Figura 16, para cada paciente, podem existir vários estudos. Um exemplo de estudo poderia ser uma tomografia computadorizada (CT - Computed Tomography), um eletrocardiograma (ECG - Electrocardiogram) ou até mesmo uma Ressonância Magnética (MRI - Magnectic Resonance Imaging). Em cada um destes estudos, podem ocorrer informações que constituem o dispositivo de captura de imagens, eletrocardiograma (ou Waveforms), resultados de análises, etc. Além disto, um estudo pode conter uma série, que define o tipo de estudo feito, tais

48 47 Figura 16: A Estrutura de informações definidas por DICOM como: transaxial, coronal, sagital, etc. Diversas imagens, waveforms ou resultados são atribuídos a cada uma delas. O formato de um arquivo DICOM pode ser visto na Figura 17. O formato de um arquivo DICOM é definido através de: 1. Binary coding; 2. Conjunto de Caracteres; 3. SOP Class UID; 4. Dispositivo de Captura de Imagem; 5. Descrição do Estudo; 6. Imagem Além de definir uma hierarquia de informações de dispositivos e pacientes, DI- COM define ainda um conjunto de serviços que podem ser encapsulados. A tabela 1 define os comandos que podem ser utilizados para a utilização de serviços de PACS DICOM Compatíveis.

49 Figura 17: O modelo da estrutura DICOM 48

50 49 Comando N-EVENT-REPORT N-GET N-SET N-ACTION N-CREATE N-DELETE C-ECHO C-STORE C-FIND C-GET C-MOVE Tabela 1: Comandos DICOM Descrição Notificação de informação relacionada aos eventos de um objeto Recuperação de informação relacionada aos atributo de um objeto Especificação de informação relacionada aos atributo de um objeto Especificação de informação relacionada às ações de um objeto Criação de uma informação relacionada ao objeto Remoção de uma informação relacionada ao objeto Verificação da conexão Transmissão de uma informação de instância do objeto Consultas sobre informações de instâncias de objetos Transmissão de uma informação de instância de objeto Semelhante ao C-GET com algumas outras restrições WADO - Web Access to DICOM Objects O WADO (Web Access to DICOM Objects) [Koutelakis e Lymperopoulos 2006], o qual implementa DICOM, não é um novo protocolo de comunicação, mas uma visão WEB do DICOM, um serviço para acessar e apresentar objetos DICOMpersistentes e um mecanismo simples para visualizar e processá-los através de requisições HTTP/HTTPS. Servidores PACS DICOM que provêem o serviço WADO podem ser utilizados para integração de diversos sistemas na área médica, como exemplo, no compartilhamento de imagens médicas e prontuários de pacientes. O padrão WADO provê uma maneira eficiente e simples para o compartilhamento de imagens de diversos centros médicos, quando necessário, de manter a privacidade dos dados do paciente [Almeida et al. 2008].

51 50 4 Especificação Funcional O CoDIMS-Grid PACS tem por objetivo interoperabilizar PACS heterogêneos e distribuídos, possibilitando o uso de consultas distribuídas que utilizam as vantagens do uso de Grid. Também permite o acesso a dados armazenados em RIS, HIS, dispositivos DICOM bem como não-dicom (Figura 18). Figura 18: Arquitetura do CoDIMS-Grid PACS.

52 51 Tabela 2: Uma consulta enviada ao CoDIMS-Grid PACS Find PATIENT With Patient Name = John Doe and Study Instance UID = A proposta atual propõe-se a ser uma extensão do CoDIMS-Grid para uso no contexto de Informática em Saúde. Para que isto fosse possível, alguns componentes foram adaptados, wrappers foram criados e algumas funcionalidades foram acrescentadas. Tomando como base a Figura 18 e a Figura 8, a proposta atual ilustra o Gateway PACS entre o componente MECGC e o PACS. Ele é necessário neste contexto, pois as imagens de pacientes são armazenadas de tal forma que apenas os PACS tenham acesso. Esta é uma forma de segurança que faz com que nenhum outro software tenha acesso direto às informações e imagens armazenadas. Os PACS precisam disponibilizar um gateway que possibilite a recuperação de imagens de pacientes. A partir do parágrafo seguinte, serão demonstradas as interfaces e o workflow entre os principais componentes existentes no ambiente proposto. O ambiente será demonstrado a partir da interface com o usuário, na camada superior ilustrada na Figura 18. Nesta camada, estão as aplicações que necessitam do CoDIMS-Grid PACS para prover transparência na requisição de imagens e informações sobre imagens armazenadas em PACS. A Camada de Apresentação recebe as consultas globais e as utiliza para fazer requisições de imagens armazenadas em PACS. A Camada de Integração se comunica com as estações de trabalho, recebendo as requisições utilizando-se o componente Controle. A requisição é então repassada ao componente Processador de Consultas para executar as fases de análise, reescrita e otimização de consultas, gerando assim um Plano de Execução de Consulta (PEC) a ser executado. A Tabela 2 ilustra uma consulta que pode ser enviada por um visualizador de imagens, um software de processamento de imagens ou outros sistema que necessite fazer acesso ao CoDIMS- Grid PACS para a requisição de informações e imagens armazenadas em PACS que fazem parte da organização virtual. De uma forma geral, as tarefas executadas pelo componentes Processador de

53 52 Tabela 3: Um PEC inicial gerado pelo componente Processador de Consultas <meta-plano> <operador ordem-execucao= 1 > <scan-relacional tabela= PATIENT > <condicao argumento-esquerdo= PATIENT.Patient Name operacao= igual argumento-direito= John Doe /> <condicao argumento-esquerdo= PATIENT.Study Instance UID operacao= igual argumento-direito= /> </scan-relacional> </operador> </meta-plano> Consultas podem ser descritas aqui: 1. Análise: Faz acesso ao componente Metadados para verificar inconsistências sintáticas e semânticas sobre a consulta. O componente Metadados contém a descrição dos dados das fontes de dados. Um PEC é então gerado utilizando-se o modelo global definido pelo CoDIMS-Grid PACS (Tabela 3). 2. Reescrita: Faz acesso ao componente Metadados para determinar os modelos locais usados onde a consulta será enviada, refazendo-a através do mapeamento entre o modelo global e os modelos locais. 3. Otimização: Gera um PEC para a execução de sub-consultas de forma otimizada [Gomes 2005]. 4. Execução: A execução das sub-consultas é feita pela Máquina de Execução de Consultas Distribuídas (MECD) [Trevisol et al. 2007], que as gerencia e faz a composição dos sub-resultados obtidos em cada fonte de dados. A camada de Integração pode estar dispersa em diversos pontos da rede, inclusive no lado cliente. Isto é possível porque os componentes do CoDIMS-Grid PACS se comunicam através de uma arquitetura orientada a serviços (SOA) [Trevisol et al. 2007]. Além disso, o CoDIMS-Grid PACS se propõe a criar planos de execução de consultas distribuídas e definir a junção de resultados de nós diferentes, utilizando um destes nós para a junção, antes mesmo de retorná-los à MECD na camada de Integração.

54 53 Esta abordagem será importante quanto as fontes de dados envolvidas são utilizadas para a captura de informações diversas dos pacientes. Em uma grande variedade de requisições de imagens, não se faz necessária a junção de resultados em nós dispersos em Grid. Será disposta a utilização do componente MECD em consultas que o fazem necessário, tal como: a pesquisa de imagens referentes a pacientes que residem em cidades diferentes do hospital atendido pelo médico especialista; a procura de imagens de pacientes de Vitória, que foram internados em uma data específica, etc. Estes tipos de consultas necessitam de junções que podem ser feitas em paralelo antes de retornar a imagem as quais estão relacionadas com o paciente. Em um dos exemplos anteriores, é possível que os dados sobre as cidades estejam em bancos de dados relacionais, separados dos dados dos hospitais que são armazenados em arquivos XML, que por sua vez estão em locais distintos dos dados de atendimento (em um HIS) e dos dados dos pacientes (que estão armazenados em um PACS). As imagens, por sua vez, são indexadas por PACS. A Camada MEC-Grid utiliza Grid para executar as sub-consultas sobre as fontes de dados. Nela, cada nó pode prover a funcionalidade de uma máquina de execução de consultas, definidas através de planos criados na camada superior. Quando uma sub-consulta é escalonada para execução em um determinado nó, este receberá apenas os operadores ou programas necessários à sua execução. Além disso, os wrappers fazem parte desta camada e são instanciados dinamicamente de acordo com a fonte de dados. Um componente chamado Acesso a Grid (Figura 19) é incorporado. Este componente é responsável por determinar em qual nó a execução da sub-consulta será processada. Este componente deve verificar diversos fatores envolvidos em ambientes específicos de Grid utilizado, tal como a interação do sistema com os serviços de informação e de alocação de recursos no Grid, como por exemplo o MDS [Zhang e Schopf 2004] e o GRAM [Feller, Foster e Martin 2007]). O GRAM é o nível mais baixo da arquitetura de gerência de recursos do Globus. Este serviço permite executar tarefas remotamente, controlar e monitorar cada tarefa. O GRAM (Globus Resource Allocation Manager) é encarregado de administrar um conjunto de máquinas, sejam elas máquinas paralelas, cluster ou estações de trabalho. Grid s computacionais são ambientes extremamente dinâmicos, onde os componentes po-

55 54 dem falhar ou serem substituídos [Peixoto et al. 2003]. Assim, é importante existir um componente que disponibilize informações sobre a grade. No Globus, este componente é o MDS (Monitoring and Discovery Service). Figura 19: As interfaces com a camada Acesso a Grid O componente Acesso a Grid foi criado para abstrair do componente Acesso a Dados esta tarefa, para que não tornem necessárias modificações no componente Acesso a Dados quando o software para a criação de ambientes Grid for modificado. Dentre alguns softwares para este fim, podem ser citados: Globus [Globus 2004], Condor [Thain, Tannembaun e Livny 2003] e OurGrid [Cirne]. Em outras palavras, esta camada de abstração foi colocada para prover transparência aos serviços Grid, de tal forma que, a Máquina de Consulta Distribuída (MECD) e o Componente Acesso a Dados não necessitem conhecer os detalhes necessários para a interoperabilidade com o ambiente de Grid. Na camada de Acesso aos Dados existe a possibilidade de interface com PACS DICOM e não-dicom, incluindo RIS e HIS. Wrappers precisam ser desenvolvidos e instanciados para dispositivos que não utilizam este padrão. No caso de um modelo integrador que não seja DICOM, um wrapper deve ser instanciado para as fontes DICOM compatíveis: esta é uma melhor opção nos casos em que a grande maioria dos PACS não são compatíveis com DICOM. A cada consulta global executada será gerado um plano de execução de consultas a ser executado pela Máquina de Execução de Consultas Distribuída (MECD) do CoDIMS-Grid PACS, que utilizará os wrappers para fazer as requisições. A MECD

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