MIDster: Sistema Distribuído de Imagens Médicas Baseado em Modelos Peer-to-Peer (P2P) e Serviços Web

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1 MIDster: Sistema Distribuído de Imagens Médicas Baseado em Modelos Peer-to-Peer (P2P) e Serviços Web Ivan Torres Pisa 1, Paulo Roberto de Lima Lopes 2, Adriano Jesus de Holanda 3, Daniel Facciolo Pires 4, Evandro Eduardo Seron Ruiz 5 1,2 Departamento de Informática em Saúde (DIS), Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP/EPM), Brasil 3,5 Departamento de Física e Matemática (DFM), Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto (FFCLRP), Universidade de São Paulo (USP), Brasil 4 Departamento de Ciência da Computação, Faculdades COC, Ribeirão Preto, Brasil Resumo - Um modelo distribuído representa a abordagem com melhor relação custo/benefício para a implementação de sistemas de armazenamento e comunicação de imagens (PACS) para aplicações médicas. PACS distribuídos oferecem uma eficiente emulação de uma base de dados central, porém, distribuída em diferentes equipamentos e sistemas. Modelos peer-to-peer (P2P) estão no centro das discussões sobre gerenciamento de conteúdo e computação distribuídos e colaboração entre pessoas. De fato, modelos colaborativos atraem enorme interesse porque permitem maximizar o capital intelectual de uma organização, construindo plataformas de conhecimento. Serviços web representam uma tecnologia emergente que melhor implementa modelos P2P. Serviços web oferecem software como um serviço, interoperabilidade dinâmica de transações, acessibilidade, eficiência, especificações universalmente aceitas, integração com sistemas legados e novas oportunidades de mercado. O projeto MIDster acrônimo para P2P Web Service Medical Image Distributed System - propõe um sistema de compartilhamento de imagens médicas baseado em modelos P2P e serviços web. A arquitetura MIDster oferece um relacionamento entre usuários e seus recursos em rede que define uma plataforma de conhecimento de coleções de imagens médicas. MIDster foi desenvolvido originalmente no grupo ImagCom, USP, e atualmente conta com a parceria do Departamento de Informática em Saúde, UNIFESP/EPM. Esse projeto recebeu suporte financeiro da CAPES 1999/2003. Palavras-chave: Informática Médica, Sistemas Distribuídos, Sistemas Colaborativos, Serviços Web, P2P. Abstract - A distributed design is the most cost-effective system for picture archiving and communications systems (PACS) implementation. Distributed PACS offers an effective central database emulation, but distributed at different equipments and systems. Peer-To-Peer (P2P) models are in the center of all discussions about distributed content management, distributed computing cycles, and person-to-person collaboration. In fact, collaboration is the most interest area because it allows the maximization of the intellectual capital for organizations, constructing knowledge platforms. Web services are an emerging technology that better implement P2P models. Web services offer software as a service, dynamic business interoperability, accessibility, efficiencies, universal agreed specifications, legacy integration, and new market opportunities. The MIDster project P2P Web Service Medical Image Distributed System acronym - proposes a medical image sharing system founded on P2P models and web services. MIDster architecture offers a relationship to users and theirs resources at Intranet/Internet networks that define a knowledge platform to medical image collections. MIDster was originally developed at ImagCom, USP, and nowadays with Health Informatics Department, UNIFESP/EPM as partner. This project was funded by CAPESP 1999/2003. Key-words: Medical Informatics, Distributed Systems, Collaborative Systems, Web Services, P2P. Introdução O desenvolvimento do projeto MIDster Peer-To-Peer Web Service Medical Image Distributed Sytem, que inclui a definição de uma arquitetura e uma implementação do sistema é parte integrante de um conjunto de estudos e implementações direcionadas a área de computação de imagens médicas, desenvolvidos no laboratório ImagCom ( do Departamento de Física e Matemática (DFM), Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto (FFCLRP), Universidade de São Paulo (USP). Esse projeto reflete o objetivo do grupo de estudar padrões, tecnologias e metodologias que sejam adequadas para gerar soluções ótimas para a área de processamento de imagens médicas, incluindo computação, representação, arquivamento, transmissão e recuperação dessas imagens. Atualmente o projeto MIDster conta com

2 a parceria do Departamento de Informática em Saúde (DIS) da Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP/EPM). Devido a requisitos legislativos e econômicos, os dados dos pacientes estão, cada vez mais, sendo gerenciados por sistemas digitais de informação hospitalar Hospital Information System (HIS). Na última década, redes de alto desempenho têm sido instaladas em hospitais e demais instituições médico-acadêmicas para que a manipulação desse grande volume de dados seja viável. Paralelamente, uma quantidade crescente de modalidades de imageamento médico tornou-se disponível com custos relativamente baixos devido às inovações das áreas de engenharia, eletrônica, computação e física médica. Como há uma enorme demanda no atendimento a saúde, os profissionais da área de saúde passaram a integrar em suas atividades essas ferramentas tecnológicas emergentes, de tratamento de registros clínicos, de dados e imagens. Assim, espera-se praticar uma medicina que ofereça diagnósticos mais rápidos, de baixo custo, menos invasiva e que ofereça maior conforto aos profissionais de saúde e pacientes. Atualmente a prática da medicina depende diretamente dos métodos e equipamentos de geração de imagens médicas por auxiliarem na busca desses requisitos. Com o incremento do número de imagens médicas no prontuário do paciente, as redes implantadas precisam suportar tráfegos cada vez mais intensos. O tempo médio de transferência de enormes quantidades de dados depende, portanto, da capacidade da rede, dos métodos de acesso aos dados e dos protocolos usados. A complexidade dos sistemas de informação em saúde está crescendo de tal maneira que não basta aumentar a banda de comunicação das redes; deve-se oferecer forte padronização para os usuários desses sistemas clínicos, com acesso rápido, fácil e unificado aos dados. Mais especificamente, a lista dos problemas encontrados inclui: a) aumento na heterogeneidade dos equipamentos e da infra-estrutura de software; b) dificuldade de prover acesso unificado aos dados; c) custosa dependência de soluções proprietárias para o armazenamento de dados; e d) as rápidas mudanças de demandas clínicas que exigem adaptações nas capacidades dos servidores de dados e desenho do sistema. Metodologia As modernas soluções encontradas para lidar com essa miscelânea de problemas da evolução da medicina para a chamada medicina baseada em informação" [1] incorporam, sem exceção, um mote fundamental da área de tecnologia de informação: padronização. Deve-se utilizar padrões para tornar viável a próxima fase evolutiva da prática médica. De fato, a adoção de padrões de representação, tecnológicos e metodológicos permite que um sistema computacional da área de saúde possa se beneficiar de soluções individuais, comerciais e acadêmicas para implementar sua atualização para o gerenciamento do enorme tráfego de dados, da quantidade crescente de pontos de atendimento eletrônicos e da complexidade da informação. Ainda, uma instituição médico-acadêmica pode adotar políticas que assegurem facilidades na integração de diferentes sistemas de informação, plataformas computacionais, sistemas operacionais, linguagens de programação e redes de comunicação. Em particular, a questão dos sistemas Picture Archiving and Communication Systems (PACS) [2] é o cerne desse trabalho. Um sistema de gerenciamento de imagens médicas é bastante complexo, demanda estudos especializados e altos investimentos financeiros, tornando seu desenvolvimento lento e crítico. Em praticamente todas as experiências divulgadas em artigos e congressos especializados, a opinião é unânime: os sistemas PACS monolíticos devem dar espaço às inovações tecnológicas que, baseadas em padrões, permitem implantar maior interoperabilidade, reduzindo custos operacionais e agregando funcionalidade para atender às novas demandas da medicina. Para a implementação de sistemas PACS, entre as inovações tecnológicas de impacto, destacam-se: a) a revolução dos chamados modelos peer-topeer (P2P), emergentes dos mais recentes sistemas de compartilhamento de recursos; e b) as tecnologias fundamentais, denominadas serviços web, que permitem estabelecer interoperabilidade independente de plataforma, linguagem de programação e localização geográfica. Essas tecnologias oferecem não apenas inovações técnicas mas, principalmente, mudanças nos paradigmas de sistemas distribuídos e da participação do "usuário comum" [3]. Tais inovações chamaram a atenção da comunidade mundial de computação a partir de Sua larga adoção e a criação de novos padrões e produtos marcaram os fundamentos para os novos sistemas de informação. Resultados O objetivo principal do projeto MIDster foi desenvolver uma arquitetura distribuída de imagens médicas baseada em padrões da área de saúde e padrões tecnológicos de tecnologia de informação. Os resultados da busca desse objetivo nesse trabalho, aqui apresentados, são:

3 o o o a proposta de uma arquitetura baseada no uso de serviços web para comunicação e u- sando um modelo P2P para a construção de uma coleção distribuída de imagens médicas; o desenvolvimento de um sistema que corrobora a arquitetura proposta; a construção de conhecimento adequado para o desenvolvimento de sistemas de computação em saúde baseados em padrões, tecnologias e metodologias; A chave para a obtenção desses resultados é o uso dos serviços web com forte inspiração nos modelos P2P. Portanto, a arquitetura MIDster aqui proposta é centrada na disponibilidade de um serviço web pelo qual um cliente autorizado possa interagir diretamente com os demais clientes conectados simultaneamente. Entre as funcionalidades descritas na arquitetura MIDster incluem-se: o mecanismos de busca de imagens médicas padrão DICOM; o comunicação síncrona e assíncrona entre clientes conectados; o validação dos clientes que participam da rede de compartilhamento; o controle de versão dos programas utilizados na camada do servidor. A tese fundamental do projeto MIDster é a defesa do uso de modelos e soluções da área de tecnologia de informação para auxiliar no próximo passo evolutivo da medicina denominada medicina baseada em informação ao permitir a criação de sistemas de informação em saúde adequados à complexidade e volume dos dados clínicos encontrados na atualidade. Em particular, sistemas PACS podem se beneficiar da flexibilidade e interoperabilidade oferecidas por modelos P2P e serviços web. Portanto, essa é a grande inovação presente nos resultados do projeto MIDster, que buscam: o conectar o usuário diretamente a outros usuários, criando uma percepção de uma comunidade dedicada; o considerar as definições de cliente e servidor como uma atitude das transações entre eles e não como uma configuração física estática de máquinas; o tornar o computador do usuário simultaneamente um cliente e um servidor da comunidade; o facilitar o desenvolvimento e uso da aplicação para o usuário; o criar uma aplicação de rede que não é baseada em navegador web; o incluir algum tipo de ferramenta para que o usuário gerencie seu próprio conteúdo; o suportar interligações baseadas em protocolos padronizados, como XML-RPC e SOAP; o facilitar o desenvolvimento de aplicações para sua plataforma. Discussão A arquitetura MIDster define uma camada do cliente, camada do servidor e camada da rede. A camada do servidor é a parte da arquitetura que implementa a inteligência, ou memória, do compartilhamento das imagens médicas. Essa camada é composta de computadores, programas e interfaces de serviços com os quais a camada do cliente se comunica para realizar o compartilhamento. A arquitetura MIDster é gerenciada completamente na camada do servidor através do controle de usuários e serviços disponíveis. Além disso, a camada do servidor permite visualizar a totalidade da rede MIDster em funcionamento. Portanto, o controle da camada do servidor deve ser realizado apenas pelo administrador da rede MIDster. O compartilhamento de imagens médicas é viabilizado através da informação armazenada na camada do servidor por uma lista dos recursos disponíveis pelos clientes conectados ao servidor, denominada Índice de Recursos. A partir da informação da localização de uma determinada imagem médica, a camada do cliente implementa completamente a transferência do arquivo especificado, eliminando a participação da camada do servidor. A camada do cliente, prevista na arquitetura MIDster, opera funções simultâneas de cliente e servidor uma vez que cada ponto cliente se torna um servidor de sua coleção de imagens médicas para os demais clientes identificados pela camada do servidor. A camada do cliente é composta por computadores e programas que participam do compartilhamento de imagens médicas definido pela arquitetura MIDster. A priori qualquer usuário habilitado pelo servidor MIDster pode conectar seu computador ao servidor e se tornar um cliente ativo desse compartilhamento. Para isso o usuário deve possuir licença de uso e satisfazer requisitos mínimos para participar da rede de compartilhamento. Esse software deve operar dentro dos padrões de comunicação estabelecidos pela arquitetura MIDster. A especificação define funcionalidades de cliente e servidor para cada ponto: cada participante da camada do cliente deve operar como cliente, ao requisitar um arquivo de outro participante, e como servidor, ao enviar um arquivo requisitado para outro participante. A camada do cliente é utilizada geralmente por profissionais e pesquisadores que trabalham com imagens médicas e que desejam compartilhar com parceiros suas coleções privativas de imagens na rede MIDster. No entanto, há diferentes cenários para a atividade de um participante dentro da arquitetura MIDster que representa o tipo de interação que um nó cliente possui com o restante da rede: cliente típico, cliente servidor, cliente estrito, cliente corporativo e cliente especial. A camada da rede da arquitetura MIDster é definida como a infra-estrutura necessária para

4 que a comunicação via TCP/IP possa ser realizada, como as redes Intranet e Internet, uma vez que a tecnologia de serviços web baseada em SOAP/XML comumente utiliza HTTP para realizar as conexões. A camada da rede deve suportar um grande volume de tráfego, dado que os arquivos de imagens médicas são digitalmente grandes. Com exceção da exigência de bom desempenho na transmissão de dados, comum para qualquer aplicação que envolva sistemas de informação em saúde, não há nenhum requisito especial para que a arquitetura MIDster seja implantada. O compartilhamento de imagens médicas definido na arquitetura MIDster considera a utilização de uma camada do servidor que de fato implementa a lógica de negociação e localização dos recursos disponíveis no sistema. A tecnologia usada para um cliente se comunicar com o servidor é a de serviço web baseado em SOAP/XML enquanto que a tecnologia usada para os clientes trocarem os arquivos das imagens médicas baseia-se em socket TCP/IP, implementando um modelo P2P. A camada do servidor é responsável por integrar o Índice de Recursos e as requisições de informação dos clientes da rede com a funcionalidade disponível no sistema legado. Dessa maneira, a aplicação cliente definida na arquitetura MIDster não exige grandes esforços de desenvolvimento, implementação, implantação e gerenciamento do sistema legado. Ainda que o sistema legado ofereça informação e imagens médicas usando outros padrões, a camada do servidor é responsável por manter o acoplamento necessário para a harmonização das mensagens entre cliente e sistema legado. Assim sendo, a flexibilidade das tecnologias propostas na arquitetura MIDster oferece um excelente nível de interoperabilidade para as mais diversas situações de conexão entre sistemas de informação em saúde. A arquitetura MIDster é composta dos seguintes componentes, representados na Figura 1: o na camada do servidor: interface WSDL; software servidor; agência de publicação; provedor do serviço; máquina de busca; gerenciador de dados; gerenciador de arquivos; o na camada do cliente: software cliente; gerenciador de arquivos; o na camada da rede: infra-estrutura padrão TCP/IP como Internet e Intranet; A arquitetura MIDster é centrada na idéia de compartilhar recursos entre seus parceiros, em particular, arquivos de imagens médicas preferencialmente no formato DICOM. No entanto, pode-se considerar como recurso qualquer documento digital que precise estar disponível para os demais parceiros autorizados através da rede. Ao privilegiar o padrão DICOM torna-se possível oferecer uma busca de recursos baseando-se em um conjunto mínimo de rótulos DICOM. Diferentes buscas podem ser implementadas, entre elas, através da identificação do recurso, uso de comando de linha, guias de busca, relatórios estruturados e buscas de informação relacionada. De fato, há inúmeras estratégias que podem ser consideradas para a realização de buscas dos recursos. No entanto, deve-se ressaltar algumas questões: o seja qual for a metodologia adotada, a comunicação entre o software cliente e a camada do servidor é sempre realizada pelo serviço web. Assim, a seqüência da busca e suas respostas devem ser implementáveis através de requisições SOAP/XML; o deve-se definir uma política de acesso na camada do servidor, ou adotar políticas das instituições médico-acadêmicas envolvidas na rede MIDster, de maneira que uma busca não retorne a identificação de recursos que não podem ser acessados pelo usuário; o deve-se privilegiar a simplicidade e a rapidez para as buscas em detrimento da profundidade das respostas. Essa simplicidade deve influenciar diretamente a interface projetada para o software cliente, facilitando a experiência do usuário no compartilhamento de seus arquivos. Pode-se ter metodologias de busca que privilegiem a profundidade da pesquisa, no entanto, essas devem ser oferecidas como operações secundárias da rede MIDster. A Figura 2 apresenta os componentes de software utilizados para a implantação do sistema MIDster. O gerenciador de arquivos é parte fundamental do computador servidor e considerou-se como sendo o próprio sistema de gerenciamento de arquivos do Windows NT chamado NT File System (NTFS). Também foram utilizados os softwares MySQL para gerenciamento dos dados e o servidor HTTP Apache com módulo SOAP 1.1. Os componentes desenvolvidos no projeto MIDster são: MIDster Serviço Web 0.20, MIDster Servidor versão 0.20, MIDster Cliente versão 0.20, MIDster Visualizador versão 0.12, MIDster Máquina de Busca versão 0.10 e Tabelas de Dados versão Todos os componentes foram desenvolvidos através do Borland Delphi 7 Studio baseado na linguagem Object Pascal, com exceção das tabelas de dados, que foram criadas através do AB MySQL Control Center Conclusões Um modelo distribuído representa a abordagem com melhor relação custo/benefício para a implementação de sistemas de armazenamento e comunicação de imagens (PACS) para aplicações médicas [4,5,6]. Entretanto, essa abordagem apresenta o desafio de tornar as imagens médicas armazenadas, distribuídas pela rede PACS, parecerem centralizadas através de um único

5 acesso para seus usuários. Um componente fundamental para sistemas não distribuídos é a concepção de uma base de dados central, contendo todos os estudos que foram armazenados em um PACS. Ao invés disso, PACS distribuídos oferecem uma eficiente emulação de uma base de dados central, porém, distribuída em diferentes equipamentos e sistemas. Modelos peer-to-peer (P2P) estão no centro das discussões sobre gerenciamento de conteúdo distribuído, computação distribuída e colaboração entre pessoas. De fato, modelos colaborativos atraem enorme interesse porque permitem maximizar o capital intelectual de uma organização, construindo plataformas de conhecimento. Por outro lado, serviços web representam uma direção tecnológica emergente que melhor implementa modelos P2P, oferecendo software como um serviço, interoperabilidade dinâmica de transações, acessibilidade, eficiência, especificações universalmente aceitas, integração com sistemas legados e novas oportunidades de mercado. O projeto MIDster propõe um sistema de compartilhamento de imagens médicas baseado em modelos P2P e serviços web. MIDster representa um marco na área de sistemas PACS ao unir áreas distintas como as técnicas de compartilhamento de arquivos e o padrão DICOM. A arquitetura proposta pode ser adotada para auxiliar no desenvolvimento e extensão de sistemas PACS. Sua concepção é centrada na disponibilidade de um serviço web pelo qual um cliente autorizado possa interagir diretamente com os demais clientes conectados simultaneamente. Entre as operações que podem ser oferecidas estão, por exemplo: mecanismos de busca de imagens médicas com critérios baseados em DICOM; validação dos clientes que participam da rede de compartilhamento; controle de versão dos programas utilizados na camada do servidor; atualização de data e hora baseada no padrão corrente no servidor; comunicação síncrona e assíncrona entre clientes conectados. Por fim, a arquitetura MIDster representa uma plataforma de integração de conhecimento que supera os limites da área da saúde, mas encontra nela sua melhor aplicação. Agradecimentos Os autores agradecem ao apoio financeiro CAPES no período 1999/2003 e às suas instituições pelo apoio às pesquisas. [1] Weil, N. (2003), IT is pushing medical care to a new era, IBM exec says, In: IT World - IDG News Service, dicalit/, March 27. [2] Dwyer, S.J. (1996), Imaging system architectures for picture archiving and communication systems, In: Radiology Clinics of North America, v. 34, n. 3, p [3] Oram, A. (2001), Peer-to-peer: o poder transformador das redes ponto-a-ponto, Editora Berkeley. [4] Carrino, J.A., et al. (1998), Large-Scale PACS Implementation, In: Journal of Digital Imaging, v. 11, n. 3, suppl. 1, August, p [5] Oka, A., et al. (1999), Interhospital Network System Using the Worldwide Web and the Common Gateway Interface, In: Journal of Digital Imaging, v. 12, n. 2, suppl. 1, May, p [6] Ernst, R., et al. (1999), A Picture Archiving and Communications Systems Featuring Multiple Monitors using Windows98, In: Journal of Digital Imaging, v. 12, n. 2, suppl. 1, May, p Contato Ivan Torres Pisa, Dr, e Paulo Roberto de Lima Lopes, MS, Setor de Telemedicina (SET), Departamento de Informática em Saúde (DIS), Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP), Edifício José Leal Prado, Terreo, Rua Botucatu 862, Vila Clementino, , São Paulo, SP, Brasil. Página: E- mail: Evandro Eduardo Seron Ruiz, PhD, Adriano de Jesus Holanda, MS, Departamento de Física e Matemática (DFM), Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto (FFCLRP), Universidade de São Paulo (USP), Av Bandeirantes 3900, Monte Alegre, , Ribeirão Preto, SP, Brasil. Página: E- mail: Daniel Facciolo Pires, MS, Departamento de Ciência da Computação, Faculdades COC, Ribeirão Preto, SP, Brasil. Referências

6 Figura 1 Arquitetura MIDster: componentes. Figura 2 Sistema MIDster: detalhes dos componentes e suas versões.

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