Uma Proposta de Arquitetura de Alto Desempenho para Sistemas PACS Baseada em Extensões de Banco de Dados

UMA PROPOSTA DE ARQUITETURA DE ALTO
DESEMPENHO PARA SISTEMAS PACS BASEADA EM
EXTENSÕES DE BANCO DE DADOS
Defesa – Doutorado
Aluno: Alexandre Savaris
Orientador: Prof. Dr. rer.nat. Aldo von Wangenheim

PPGInf - UFPR
UMA PROPOSTA DE ARQUITETURA DE ALTO DESEMPENHO PARA SISTEMAS
PACS BASEADA EM EXTENSÕES DE BANCO DE DADOS
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Roteiro
• Introdução
• Contextualização
• Problema abordado - Questão de pesquisa
• Hipóteses - Objetivos específicos
• O padrão DICOM - Organização e armazenamento de conteúdo
• Arquitetura proposta
• Materiais e métodos
• Experimentos e resultados
• Conclusões - Trabalhos futuros
• Contribuições - Publicações

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Introdução
• Imagens digitais no contexto médico
• Demanda: novas modalidades de exame e
evolução das modalidades de exame existentes
• Contribuição: melhoria no processo de avaliação
estrutural e/ou funcional do estado do paciente
• Origem
• Digitalização
• Formato digital nativo

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Dados convencionais +
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Introdução
• Uso cotidiano de conteúdo digital
em instituições de saúde
• Logística para aquisição, distribuição e
armazenamento
• Modelos de organização
• HIS
• RIS
• PACS (dados não convencionais)

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Introdução
• Integração entre modelos de
organização (distribuição de dados)
• Envio e recepção de dados em uma mesma
instituição ou entre instituições de saúde
• Adoção de padrões estabelecidos
• HL7
• DICOM

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Introdução
• Persistência de conteúdo digital
(armazenamento de dados)
• Ausência de especificações quanto a métodos e
tecnologias de armazenamento
• Camada de armazenamento = repositório
• SGBDs
• Sistemas de arquivos
convencionais
• Sistemas de arquivos
distribuídos

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Contextualização
• Arquitetura PACS = agregado de
componentes de hardware e software
• Componente = Application Entity (AE)
• Regras de negócio distribuídas entre AEs
• Combinações entre AEs gerando cenários
diversos
• Possibilidade de haver redundância ou omissão
de componentes
• Identificação de componentes básicos

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DICOM
Modality
Worklist
Dados de
exames
(DICOM)
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Modalidades de exame
Consoles das
modalidades
Worklist
manual
Servidor HL7
Dados em HL7
provenientes de
HIS/RIS
Entrada de
dados manual
Servidor DICOM
Dados prévios
de exames
(HL7/DICOM)
DICOM
Modality
Worklist
Dados de
exames
(DICOM)
Armazenamento PACS
Distribuição de imagens
Workstation
radiológica
Workstation
clínica
Dados de
exames
(DICOM)
DICOM
Dados
convencionais +
imagens (JPEG,
PNG, …)
Banco de
dados
Dados
convencionais
(alfanuméricos)
Arquitetura PACS padrão
• Conjunto heterogêneo de
modalidades (equipamentos) para
a execução de exames
• Operação dos equipamentos e/ou
alimentação de dados dos exames
via console
• Alimentação de dados dos exames
via servidor HL7
• Entrada de dados manual e/ou
recepção de dados provenientes de
outros sistemas via servidor HL7
• Integração do fluxo de dados entre
AEs via servidor DICOM
• Armazenamento online, near-line e
offline do conteúdo DICOM para
acesso posterior
• Distribuição de imagens para
exibição ou manipulação
• Persistência de dados
convencionais em SGBDs

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Problema abordado
• PACS = gerenciamento, armazenamento e
distribuição de imagens médicas digitais
• Descrição simplificada oculta a complexidade na
adoção e implantação
• Impacto em fatores econômicos, humanos e
técnicos
• Integração com HIS/RIS
• Implementação parcial do padrão DICOM
• AEs com declarações de conformidade incorretas

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Problema abordado
• Possível abordagem: redução do número de
AEs em um cenário PACS
+ Diminuição dos problemas relacionados à
heterogeneidade e interconectividade
- Necessidade de manter desempenho e disponibilidade,
mesmo incorporando mais serviços a um número menor
de AEs
• Possível técnica: extensibilidade em SGBDs
• Alteração da camada de armazenamento de dados,
com a troca do perfil passivo por ativo
• SGBD torna-se uma AE

É possível definir uma arquitetura PACS
simplificada e de alto desempenho com
base na extensão e na promoção de sua
camada de armazenamento a níveis
similares aos de outras AEs?
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Questão de pesquisa

• Hipótese #1 – A construção de um modelo de dados
aderente às características do padrão DICOM
contribui para ganhos de desempenho em pesquisas
de metadados e recuperação de imagens
• Objetivo relacionado: prover um modelo de
dados simplificado e de alto desempenho que
atenda a diferentes modalidades de exame e
especialidades médicas, sem demandar
modificações estruturais em seu esquema físico
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Hipóteses e Objetivos

• Hipótese #2 – A modelagem e implementação de
extensões de SGBD para a recepção e o envio de
mensagens no padrão DICOM permite agregar
serviços de comunicação à camada de
armazenamento de dados da arquitetura PACS
• Objetivo relacionado: estender a camada de
armazenamento da arquitetura PACS pela
incorporação de serviços de parsing, interpretação
e composição de mensagens no padrão DICOM
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• Hipótese #3 – A adoção de arquiteturas heterogêneas
de armazenamento para dados convencionais e não
convencionais permite explorar características de
diferentes modelos de dados, resultando em uma
melhor escalabilidade e representação de conteúdo
• Objetivo relacionado: promover a integração entre
diferentes tecnologias de armazenamento, de
forma a flexibilizar a distribuição de dados para as
modalidades de armazenamento online, near-line e
offline
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O padrão DICOM
• Conjunto de especificações não-proprietárias
• Objetiva a estruturação e a formatação de imagens
médicas digitais
• Objetiva a definição de protocolos de comunicação
para a recepção e o envio dessas imagens
• Por ser um padrão aberto, não há regulação
quanto ao atendimento às especificações
• Implementação por interpretação (ad hoc)
• Adoção por “confiança”

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Conteúdo DICOM
• Estruturado em nível de tag
1. Par ordenado de valores para grupo e elemento
2. VR (Value Representation – Valor de Representação)
3. VM (Value Multiplicity – Multiplicidade de Valor)
Tag “Modality”
1. (0008,0060)
2. CS (Code String): 16 bytes maximum, accepting
uppercase characters, “0”-”9”, the SPACE character, and
underscore (“_”)
3. 1 (um único valor para cada tag)

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Conteúdo DICOM
• Semiestruturado em nível de imagem
• Tags são conhecidas em tempo de parsing
• O número e a combinação de tags em uma imagem
varia de acordo com os dados disponíveis no
momento da execução do exame
varia de acordo com a modalidade de exame
varia de acordo com o equipamento utilizado

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Conteúdo DICOM

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Armazenamento DICOM
(0010,0020) PatientID

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Armazenamento DICOM
(0020,000D) StudyInstanceUID

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Armazenamento DICOM
(0020,000E) SeriesInstanceUID

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Armazenamento DICOM
(0008,0018) SOPInstanceUID

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Armazenamento DICOM
+ Fácil de organizar e disponibilizar
+ Fácil de distribuir em um ambiente de rede
+ Usando pontos de montagem via NFS, por exemplo
- Restritivo para pesquisas e recuperação de
conteúdo
- Apenas tags específicas são conhecidas sem a necessidade
de parsing
- Ausência de índices

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Armazenamento DICOM

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Armazenamento DICOM
+ Facilidade em mapear a hierarquia DICOM para
um conjunto de entidades e relacionamentos
+ Uso da linguagem SQL para manutenção
+ Melhoria de performance pelo uso de índices
- Necessidade de um esquema de BD predefinido
- Comumente construído a partir de um conjunto reduzido
de tags
- Escalabilidade não é nativa
- Funciona bem para instâncias de nodo único
- Instâncias com múltiplos nodos são possíveis, porém com
altas demandas administrativas

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Dados de exames
(DICOM)
Modalidades de exame
Dados de
exames
(DICOM)
DICOM
Modality
Worklist
Gerenciamento de
comunicação DICOM
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Worklist
manual
Consoles das
modalidades
Banco de dados
relacional / objeto-relacional
Gerenciamento de
armazenamento e
distribuição de dados
Workstation
radiológica
Workstation
clínica
Dados
convencionais +
imagens (JPEG,
PNG, …)
DICOM
HIS/RIS/PACS
externos
HDF5
Dados
convencionais/
não convencionais
Armazenamento/distribuição
Banco de
dados
NoSQL
SGBDR
distribuído
Banco de
dados XML
Arquitetura PACS proposta
• Conjunto heterogêneo de
modalidades (equipamentos) para a
execução de exames
• Operação dos equipamentos e/ou
alimentação de dados dos exames via
console
• SGBD incorpora módulos de serviço
para comunicação DICOM
• Comunicação com sistemas externos,
integração do fluxo de dados entre
AEs e distribuição de imagens para
exibição ou manipulação ocorre via
módulos de serviço disponibilizados
• Persistência e distribuição de dados
convencionais e não convencionais
entre arquiteturas de
armazenamento heterogêneas ocorre
via módulos de serviço
disponibilizados

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Banco de dados relacional /
Dados convencionais/
não convencionais
objeto-relacional
Gerenciamento de
comunicação DICOM
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Gerenciamento de
armazenamento e
Dados de
exames
(DICOM)
AEs
HIS/RIS/PACS
externos
Dados de
exames
(DICOM)
HDF5
Armazenamento/distribuição
SGBDR
distribuído
Banco de
dados
NoSQL
Banco de
dados XML
Arquitetura PACS proposta
• SGBD incorpora módulos para
gerenciamento de comunicação
DICOM e gerenciamento de
armazenamento e distribuição de
dados
• Comunicação com AEs pertencentes
à mesma instância PACS e/ou
sistemas externos é de
responsabilidade do módulo de
gerenciamento de comunicação
DICOM
• Distribuição de dados convencionais
e não convencionais entre
arquiteturas heterogêneas é de
responsabilidade do módulo para
gerenciamento de armazenamento e

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Materiais e métodos
Hipótese #1
• Esquema físico de BD criado a
partir de uma releitura do
modelo de armazenamento
decomposto (Decomposed
Storage Model – DSM)
(COPELAND; KHOSHAFIAN, 1985)
• Materialização da hierarquia
DICOM por meio de uma tabela
(chave_hierarquica)
• Uma tabela por VR + uma tabela
para armazenamento do
conteúdo completo das imagens

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Materiais e métodos – Hipótese #2
• Uso de conceitos de extensibilidade em BD
• Daemon Plugins (MySQL)
• Custom Background Workers (PostgreSQL)
• APIs diferentes, mas com as mesmas finalidades
• Estender os recursos nativos do SGBD pela agregação de
rotinas de software
• Mais complexo e abrangente do que UDFs
• Neste trabalho, extensões modeladas e implementadas
como provedoras de serviço para um conjunto de
primitivas de comunicação definidas no padrão DICOM
• C-ECHO, C-STORE, C-FIND e C-GET

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Materiais e métodos
Hipótese #3
• Uso das definições da extensão
SQL/MED para acesso a dados
externos
• Leitura e escrita executados via
Foreign Data Wrappers (FDWs)
• Metadados e conteúdo completo
das imagens DICOM sendo
persistidos externamente à
instância relacional

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Ambiente experimental #1 – C-STORE
De 0,6 a 7,2 vezes mais lento (inserção)

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Ambiente experimental #1 – C-FIND
No geral, em média 48% mais rápido em
buscas por tags individuais

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Ambiente experimental #1 – C-GET
No geral, em média 48,3% mais rápido na
recuperação de imagens completas

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Ambiente experimental #2

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- Instância de nodo único é de 34,8% a 51,8%
mais rápida do que o cluster
- Particionar é 26,1% mais rápido do que replicar

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- Instância de nodo único superior em todos os experimentos
- Buscas por correspondência de padrão são as principais
responsáveis pelo pior desempenho em todos os experimentos

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35,4% 45,9%
49,4% 55,4%
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- Instância de nodo único superior em todos os experimentos
- Buscas por correspondência de padrão são as principais
responsáveis pelo pior desempenho em todos os experimentos

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Cluster se sobressai com um desempenho
de 29,7% a 30,8% superior

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Ambiente experimental #3

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- Instâncias de nodo único se sobressaem, com uma redução média de até 89,8% no tempo de
armazenamento
- Múltiplos processos de escrita concorrente contribuem para uma redução média de até 77,9%
no tempo de armazenamento

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Instância relacional se sobressai com um
desempenho de 8,9% a 19,2% superior

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Instância relacional se sobressai com um
desempenho de 81,7% a 83,2% superior

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Conclusões
 Hipótese #1 – validada pela releitura do
modelo de armazenamento decomposto
para DICOM
• Garantia de consistência em operações de
escrita/leitura e adaptabilidade, sem
modificações estruturais
• Desempenho superior quando comparado a
esquemas relacionais usados atualmente

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Conclusões
 Hipótese #2 – validada pela
implementação de extensões para
comunicação e armazenamento de dados
• Incorporação de funcionalidades e regras de
negócio ao BD, com impacto positivo em termos de
desempenho
• Robustez da API no suporte a extensões de alta
complexidade

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Conclusões
 Hipótese #3 – validada pela distribuição e
replicação de dados entre a instância
relacional e a instância NoSQL
• Adaptação do modelo de armazenamento
decomposto para DICOM, resultando em um
esquema aderente às características da
arquitetura NoSQL
• Escalabilidade garantida pela instância NoSQL,
sem impacto na instância relacional original

Banco de dados relacional / objeto-relacional
Gerenciamento de
armazenamento e
Gerenciamento de
processamento DICOM
de alto desempenho
Gerenciamento de
comunicação DICOM/HL7
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Dados convencionais/não
Armazenamento/distribuição near-line
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Trabalhos futuros
• Incorporação de um módulo para
processamento de alto
desempenho baseado em GPGPU
(fornecedor de serviços para os
módulos de gerenciamento de
comunicação e armazenamento)
• Extensão do módulo de
gerenciamento de comunicação,
com a inclusão de rotinas para
parsing e geração de mensagens
de acordo com o padrão HL7
• Extensão do módulo de
gerenciamento de
armazenamento, com a inclusão
de rotinas para controle temporal
vinculadas a regras de
roteamento para dados online,
near-line e offline
Dados de
exames
(DICOM)
AEs
HIS/RIS/PACS
externos
Dados de
exames
(DICOM/HL7)
convencionais
HDF5
Armazenamento/distribuição online
SGBDR
distribuído
Banco de
dados
NoSQL
Banco de
dados XML
HDF5
SGBDR
distribuído
Banco de
dados
NoSQL
Banco de
dados XML
HDF5
Armazenamento/distribuição offline
SGBDR
distribuído
Banco de
dados
NoSQL
Banco de
dados XML
Migração
por regra
temporal
Migração
por regra
temporal

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Contribuições
• Uma arquitetura PACS funcional, mais simples e
com um melhor desempenho quando comparada
às arquiteturas atuais
Modelo de armazenamento decomposto customizado para
DICOM – flexibilidade no suporte a conteúdo e desempenho
de acesso
Servidor de armazenamento DICOM incorporado ao SGBD –
simplificação da arquitetura e desempenho derivado de sua
integração à camada de armazenamento
Armazenamento heterogêneo – combinação de tecnologias
para persistência visando escalabilidade, alta
disponibilidade e distribuição temporal de volumes de
dados

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Publicações
SAVARIS, A.; WANGENHEIM, A. v. Armazenamento de Imagens Médicas no Padrão DICOM em Banco de
Dados no Contexto de PACS. Florianópolis: INCoD-11.006.P.01.TELEMED, 2011. 24 p. Relatório técnico.
SAVARIS, A.; HARA, C. S.; WANGENHEIM, A. v. MyGFT - um Módulo de Integração entre MySQL e
Google Fusion Tables. In: SBBD 2012, São Paulo, SP, Brazil. Proceedings of the 27th Brazilian
Symposium on Databases – Demos and Applications Session, 2012. p. 31-36.
SAVARIS, A.; HÄRDER, T.; WANGENHEIM, A. v. DCMDSM: a DICOM decomposed storage model. Journal
of the American Medical Informatics Association. Disponível em:
<http://jamia.bmj.com/content/early/2014/02/03/amiajnl-2013-002337>. Acesso em: 09/05/2014.
SAVARIS, A.; HÄRDER, T.; WANGENHEIM, A. v. Evaluating a row-store data model for full-content
DICOM management. In: CBMS 2014, New York, NY, USA. Proceedings of the 27th IEEE Symposium on
Computer-based Medical Systems. Washington, DC, USA: IEEE Computer Society, 2014. p. 193-198.

UMA PROPOSTA DE ARQUITETURA DE ALTO
DESEMPENHO PARA SISTEMAS PACS BASEADA EM
EXTENSÕES DE BANCO DE DADOS
Defesa – Doutorado
asavaris@inf.ufpr.br

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