GridPACS: una soluzione Grid ai sistemi PACS medici

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1 Università degli Studi di Napoli Federico II Facoltà di Scienze MM.FF.NN. Corso di Laurea in Informatica Tesi Sperimentale di Laurea Triennale GridPACS: una soluzione Grid ai sistemi PACS medici Relatori Prof. Guido Russo Candidato Daniele Dell Erba Prof. Giovanni Mettivier Matricola: 566/2748 Anno accademico 2009/2010

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3 Indice generale 1. Introduzione 5 2. Il formato DICOM La nascita La struttura Il modello La comunicazione Le funzionalità Le immagini L identificativo PACS Introduzione Architettura Problematiche Prospettive La Grid Storia Organizzazione Sicurezza Architettura Middleware Archivi Immagazzinamento Progetti Medici AMGA Panoramica Affidabilità Interfaccia Sicurezza GRID INFN Architettura utilizzata Protocolli Struttura Progetto GridPACS Applicazione Web Specifiche Funzionamento Guida d uso Tipologie utenti Registrazione Accesso al sistema Invio di un file DICOM Ricerca e download Condivisione postazioni Gestione errori Sviluppi futuri Sicurezza Gestione Immagini 62 Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 3

4 9.3 Client Database Accessibilità e Fault Tollerance Funzionalità Grid Storage e Computing Conclusioni Appendice Installazione e Configurazione Codice Bibliografia 103 Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 4

5 1 Introduzione Il mondo dell Information Technology legato al medical imaging è cambiato enormemente nell ultima decade. Il passaggio dall acquisizione di immagini analogiche a digitali è in pieno svolgimento ed in tecniche come la CT e MRI è ormai completo mentre la digital radiography (CR, DR) sta sempre più soppiantando, nelle nuove installazioni ospedaliere, la radiografia film-schermo. Ciò sta comportando la necessità della gestione e dell archiviazione di questi dati. Un grande ospedale, con ad es posti letto, produce dati di imaging medico che possono occupare 5-10 TB l anno ed è stimato che con il sempre maggior uso di sistemi digitali questo valore aumenterà fortemente. A questo si deve aggiungere la necessità di mantenere e rendere accessibili i dati storici di archivio, in aggiunta a quelli correnti, sia per l interpretazione clinica sia per legge per almeno 5 anni ed in alcuni casi anche per 21 anni. Per rispondere a questa esigenza sono nati i PACS (Picture Archiving and Communication System). I sistemi PACS attualmente in commercio sono sistemi informativi complessi che offrono, tramite una struttura hardware e software opportunamente realizzata, la possibilità di molteplici funzioni in ambito ospedaliero, riguardanti tutta la catena di trattamento delle immagini, partendo dalla loro acquisizione nelle diverse diagnostiche (CT, NMR, PET/SPECT, US, etc.), passando poi alla ricostruzione ed elaborazione, quindi alla visualizzazione e refertazione, ed infine all archiviazione e alla ricerca di dati clinici dei pazienti. Ma anche quest ultimi presentano problemi legati alla scarsa scalabilità ed inoltre essi sono legati al sito in cui sono installati. Questo comporta spesso l inutile replicazione dei dati su diversi siti ed una scarsa circolazione/visibilità delle informazioni. La strategia che si sta affermando (ad es. in Gran Bretagna, e ora anche in Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 5

6 alcune regioni italiane) è quella dell impiego di archivi centrali/regionali che sono usati come hub accessibili da facilities remote. Una possibile soluzione potrebbe essere rappresentata dall impiego della tecnologia GRID. La tecnologia GRID, costituita da un livello intermedio (middleware) tra l applicazione software e l hardware, ha la caratteristica di svincolare e rendere completamente indipendenti il livello inferiore (l hardware) da quello superiore (l applicativo). Ciò comporta che qualunque operazione (come ad esempio il backup o l aggiornamento degli archivi), o anche eventuali malfunzionamenti su uno dei due livelli, non ricada sull altro. L innovazione GRID si basa su una diversa organizzazione dell hardware già esistente, che fornisce all utente una grossa potenzialità di calcolo e di storage, ma rimanendo allo stesso tempo semplice da gestire. L implementazione di questa struttura permetterebbe la realizzazione di una griglia tra diverse organizzazioni ospedaliere ed in particolare i vantaggi dell implementazione GRID come supporto di un PACS sono: Integrare le funzionalità del PACS nella gestione degli archivi; Condivisione di dati distribuiti (database di immagini, dati clinici dei pazienti, dati amministrativi, etc); in caso di rottura di una macchina è possibile l accesso al sistema senza interruzione di nessuna funzionalità; accesso al PACS da tutte le workstations appartenenti alla griglia; interventi di manutenzione senza interruzione dei servizi; backup automatico; struttura gerarchica per l interrogazione di archivi di diversi PACS. Ridondanza e disponibilità dei dati: copie multiple dei dati esistono tra diversi nodi nella griglia, creando una ridondanza e utilizzazione in caso di fallimento di un componente. Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 6

7 La realizzazione di tale innovativa struttura GRID-PACS integrata pone diverse problematiche di tipo tecnologico. Il Gruppo di Fisica Medica del Dipartimento di Scienze Fisiche dell Università di Napoli Federico II e della Sezione INFN di Napoli è impegnato, anche con un supporto della commissione GRID dell INFN, nella realizzazione di una GRID di test per valutare la fattibilità di una architettura di GRID storage. La GRID in fase di realizzazione, inserita nella struttura GRID più generale dell INFN, prevede per il momento la realizzazione di quattro nodi: la Sezione INFN di Napoli, l Istituto di Bioimmagini e Biostrutture del CNR di Napoli, l azienda Ospedaliera Brotzu e la Sezione INFN di Bologna che raccoglierà i dati dell azienda ospedaliera S. Orsola Malpighi di Bologna. L attività di GRID-PACS, prevista nell attuale piano triennale all interno delle attività di trasferimento tecnologico, potrebbe proseguire su più vasta scala nell ambito di progetti di imaging all interno di progetti regionali e/o nazionali. Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 7

8 2 Il formato DICOM Il formato DICOM (file *.dcm) è il formato standard dei file contenenti le immagini digitali generate dai dispositivi medicali. Oltre alle immagini, in questa tipologia di file vengono memorizzati anche dei metadati che contengono informazioni sul paziente, sul tipo di studio e sulla procedura di cui è frutto l'immagine stessa. 2.1 La nascita Negli anni '70 con la diffusione dei computer in ambito medico e con l'introduzione della Computed Tomography, (CT) nasce il bisogno di gestire le immagini mediche in formato digitale. Inizialmente questo compito fu affidato alle aziende produttrici degli stessi dispositivi medicali, che provvedevano a creare dei propri standard per la memorizzazione delle immagini e dei dati ad esse correlati, stabilendo dei propri protocolli di comunicazione fra dispositivi, propri formati dei file e politiche di gestione degli archivi. Questo portò inevitabilmente ad una diffusa incompatibilità tra i diversi formati dei file ed i sistemi di gestione, anche all'interno di uno stesso ospedale utilizzante dispositivi medicali forniti da aziende differenti. Al fine di ovviare a questo problema l American College of Radiology (ACR) (fig.2.1)[1] e la National Electrical Manifacturers Association (NEMA) (fig.2.2) [2] formarono nel 1983 una commissione impegnata a promuovere la compatibilità dei formati dei file riguardanti immagini mediche e dei dati ad esse collegate indipendentemente dai dispositivi che generavano le immagini. Questo anche allo scopo di facilitare lo sviluppo e l'espansione di sistemi Picture Archiving and Communication System (PACS). Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 8

9 Fig. 2.1: Logo American College of Radiology Fig. 2.2: Logo National Electrical Manifacturers Association Fig. 2.3: Logo Digital Imagind and Communications in medicine Da questo sforzo nacque lo standard denominato Digital Imaging and Communication in Medicine (DICOM) (Fig. 2.3) [3]. La prima versione di questo standard non commerciale (DICOM 1.0) forniva le specifiche per la memorizzazione delle immagini mediche, dei dati relativi al paziente e dello studio. La seconda versione del 1988 (DICOM 2.0), fu arricchita da protocolli di rete per instaurare connessioni di tipo punto a punto, con lo scopo di permettere ai dispositivi che generano le immagini di trasmetterle ad altri apparecchi. Oggi il formato DICOM, accettato a livello mondiale, subisce annualmente migliorie, pur mantenendo il nominativo dell ultima versione (DICOM 3.0 del 1993). Esso è riconosciuto e diffuso in Giappone grazie alla Japan Industries Association of Radiological Systems (JIRA) [4] ed in Europa tramite la European Commitlee for Standardization (CEN) [5]. Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 9

10 2.2 La struttura Un file DICOM, come definito dallo standard DICOM 3.0, è formato da un header in cui sono riportati i metadati secondo una scrittura codificata in formato ASCII e dalle immagini a seconda del tipo di studio in formato jpeg. L header di un file DICOM è riconoscibile dalla scrittura dei caratteri DICM dal 128 byte fino al 131 byte. Dal 132 carattere comincia la codifica dei dati veri e propri. La codifica utilizzata dai file DICOM è di tipo little endian, in base al quale un valore numerico è interpretato da destra a sinistra ponendo quindi la parte più significativa a destra e la meno significativa a sinistra ( l'opposto della normale lettura di un numero). I dati contenuti sono organizzati in gruppi di dati chiamati DataSet (fig. 2.4), ogni elemento dell'insieme è chiamato DataElement ed è identificato univocamente da un valore chiamato tag disposto in ordine crescente all'interno dell'insieme. DataSet DataElem. DataElem. DataElem..... Tag VR VL ValueField Fig. 2.4: Rappresentazione di un elemento in un file DICOM Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 10

11 Il tag è composto da due identificativi (es. 0008, 0122): uno per il gruppo (es. anagrafica paziente) e uno specifico dell elemento all interno del gruppo (es. il nome del paziente, data di nascita, ). Oltre al tag ogni DataElement è composto da un campo denominato Value Rappresentation (VR) che indica il tipo di dato contenuto ed è presente o meno in base alla sintassi di trasferimento (tab 2.1); dal value length (VL) che indica la dimensione del DataElement e varia in base al tipo di dato indicato in VR. Se il campo tipo (VR) indica SQ (sequece of items) o UN (unknown), il campo VL contiene la stringa FFFFFFFFH che indica una lunghezza indefinita; infine il campo value field (VF) che contiene i dati relativi a quell elemento. Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 11

12 Tab. 2.1 : Tabella dei tipi di VR La sintassi di trasferimento è una regola del protocollo di rete che si applica all atto della trasmissione del file, definisce il tipo di codifica dei dati e la loro organizzazione. La grandezza dei campi di ogni DataElement è definita dal tipo di sintassi. In particolare se la sintassi è di tipo explicit (fig 2.5) e il tipo indicato in VR è OB, OW, OF, SQ, UT o UN, si hanno 4byte per il tag di cui 2byte per il gruppo e 2byte l elemento, 4byte per il VR di cui 2byte per il valore e 2byte fissi al valore 0000H, Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 12

13 4byte per il VL, il VF è tanti byte quanti definiti dal VL. E possibile che VL sia indefinito, cioè che contenga il valore FFFFFFFFH, in tal caso il VF ha grandezza indefinita. Fig. 2.5: DataElement con VR esplicito e implicito Per tutti gli altri valori di VR con la sintassi explicit si hanno 4byte per il tag di cui 2byte per il gruppo e 2byte l elemento, 2 byte per il VR, 2byte per il VL, il value field è tanti byte quanti definiti dal VL. Infine se la sintassi è di tipo implicit si hanno 4byte per il tag di cui 2byte per il gruppo e 2byte l elemento, 4byte per il VL, il VF è tanti byte quanti definiti dal VL. Anche in questo caso è possibile che VL sia indefinito e di conseguenza anche il VF. Ogni file DICOM è relativo ad un unico paziente e ad un'unica tipologia di studio/esame, ma può esser costituito da più immagini, come nel caso di studi TAC. I file con più immagini hanno una struttura particolare caratterizzata dalla presenza di Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 13

14 un elemento di tipo SQ al posto dell elemento di tipo immagine. Questo campo può contenere altri elementi al suo interno, separati fra loro da tag di delimitazione. Anche in questo caso si possono avere diverse strutture in base al tipo implicito o esplicito. Se il campo tipo è explicit (tab.2.2), la lunghezza è indefinita ed il campo dati contiene una sequenza di oggetti ognuno dei quali ha come tag (FFFE,E000), seguito dalla propria dimensione, in coda agli oggetti per delimitarne la fine viene inserito un elemento di delimitazione vuoto, che ha tag (FFFE,E0DD) e lunghezza H. Se il campo tipo è implicit si distingue il caso in cui l elemento contenitore conosce la grandezza degli elementi contenuti o meno. Se non la conosce (tab 2.3) ha come valore lunghezza indefinito FFFFFFFH, il campo dati contiene la sequenza di oggetti, con tag (FFFE,E000) seguito dalla dimensione dell'oggetto che può essere indefinita o meno, nel primo caso dopo il contenuto dell'elemento viene inserito un tag di delimitazione (FFFE,E00D) di lunghezza H con un altro elemento di delimitazione di fine sequenza, nel secondo caso l'elemento ha una struttura normale. Quindi anche gli elementi contenuti a loro volta possono avere una dimensione esplicita o meno. Nel caso in cui il campo lunghezza dell elemento contenitore è indicata (tab 2.4), così come quella di tutti gli elementi contenuti, pertanto non c è bisogno di avere un elemento di fine sequenza. Data Element Tag (gggg, eeee) with VR of SQ 4 bytes Value Representation SQ 2 bytes 0000H Reserved 2 bytes Data Element Length FFFF FFFFH un-defined length 4 bytes Data Element Value First Item Second Item Sequence Delimitation Item Item Tag (FFFE, E000) 4 bytes Item Length 98A5 2C68H 4 bytes Item Value Data Set 98A5 2C68H bytes Item Tag (FFFE, E000) 4 bytes Item Length B CH 4 bytes Item Value Data Set B CH bytes Seq. Delim. Tag (FFFE, E0DD) 4 bytes Item Length H 4 bytes Tab. 2.2: Esempio di DataElement con VR esplicito impostato a Sequence of Items di grandezza indefinita, di cui due con esplicita dimensione Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 14

15 Data Element Tag (gggg, eeee) with VR of SQ 4 bytes Data Element Length FFFF FFFFH un-defined length 4 bytes Data Element Value First Item Item Tag (FFFE, E000 4 bytes Item Length B6H 4 bytes Item Value Data Set 17B6H bytes Second Item Item Tag (FFFE, E000) 4 bytes Item Length FFFF FFFFH undefined length 4 bytes Item Value Data Set undefined length Item Delim. Tag (FFFE, E00D) 4 bytes Length H 4 bytes Sequence Delimitation Item Seq. Delim. Tag (FFFE, E0DD) Tab. 2.3: Esempio di DataElement con VR implicito impostato a Sequence of Items di grandezza indefinita, di cui uno con esplicita dimensione, l altro indefinita 4 bytes Item Length H 4 bytes Data Element Tag Data Element Length Data Element Value (gggg, eeee) with VR of SQ 4 bytes 00000F00 H 4 bytes First Item Second Item Third Item Item Tag (FFFE, E000) 4 bytes Item Length F8H 4 bytes Item Value Data Set 04F8H bytes Item Tag (FFFE, E000) 4 bytes Item Length F8H Tab. 2.4: Esempio di DataElement con VR implicito impostato a Sequence of Items, di cui uno tre con esplicita dimensione 4 bytes Item Value Data Set 04F8H bytes Item Tag (FFFE, E000) 4 bytes Item Length F8H 4 bytes Item Value Data Set 04F8H bytes 2.3 Il modello Come già è stato detto nel paragrafo precedente, all interno dello standard DICOM le informazioni hanno una struttura ben definita. Gli oggetti o Information Object Definition (IOD) sono suddivisi in base all'attinenza (es. paziente, immagine, studio, ), e sono organizzati come delle classi, cioè con definizioni di tipi di dati e con attributi (fig 2.6). A ciascuno di questi oggetti sono associate delle operazioni dette Dicom Message Service Element service group (DIMSE service group). Quindi ogni oggetto in base al suo contenuto ed alla sua natura ha delle operazioni associate che si Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 15

16 possono compiere. La coppia IOD-DIMSE service group è detta Service Object Pair (SOP). La SOP è specifica per ogni IOD, cioè per il tipo di oggetto e l'insieme di tutte le SOP di un oggetto forma una SOP class. Le SOP con compiti simili costituiscono le service class. Poiché le SOP sono specifiche per gli IOD, differenti oggetti pur richiedendo operazioni identiche, avranno due SOP differenti, che però faranno parte della stessa service class. 2.4 La comunicazione Nello standard DICOM sono fissati anche i protocolli per lo scambio di file dicom tra due diverse strumentazioni o tra la strumentazione ed una postazione di storage. Ogni elemento (apparato medicale, postazione di refertazione, storage element,..) è identificato da un codice denominato DICOM Application Entity (AE). Nella fase di trasmissione di un dato tra due AE si applica l'architettura client/server. Dei due DICOM AE chi trasmette deve svolgere il ruolo di server utilizzando la Service Class Provider (SCP), mentre chi riceve si comporta come un client ed utilizza la Service Class User (SCU). Il DICOM ha una serie di servizi primitivi con compiti di rete di request, indication, response, confirmation, con funzionamento sincrono o asincrono. Le regole di comunicazione sono analoghe a quelle utilizzate dai protocolli più diffusi. Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 16

17 Service Classes - Study Mgt - Patient Image Mgt - Results Mgt - Storage - Print - Query/Retrieve Information Objects Normalized - Patient - Study - Visit Composite - CT image - MR image - CR image DICOM Message Service (DIMSE) Fig. 2.6: Relazioni del paradigma a oggetti nel formato DICOM 2.5 Le funzionalità Sono le service class a definire cosa si può fare con lo standard DICOM. Le principali sono: verification, storage, query/retriere, print. La verification (conferma) si occupa di controllare il livello di comunicazione tra peer DICOM AE che hanno stabilito un associazione. Per effettuare una verifica, un AE invia la primitiva di richiesta ECHO, aspettando la ECHO di risposta. E poi la SCU a determinare se la verifica è completa. La storage (memoria) permette ad un AE di inviare istanze di IOD tramite il servizio DIMSE STORE. Affinché l immagazzinamento sia completo il tipo di dato trasferito deve essere supportato. Il dato deve esser salvato e deve essere accessibile. Siccome i tipi di dati sono di diverso tipo la storage service class ha numerose SOP. La query/retrieve consente a un AE di inviare una richiesta di dati o di Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 17

18 recuperarne su richiesta. Utilizza query non complesse, poiché non necessita di un meccanismo completo come quello di SQL. Ha opzioni come unique (valore univoco) o required (valore obbligatorio) applicabili agli attributi. Le DIMSE utilizzate sono GET, FIND e MOVE. Con la FIND, la SCU invia una richiesta relativa a qualche attributo, la SCP invia una risposta per ogni occorrenza trovata, specificando se il processo di ricerca è terminato o meno (pending status). La MOVE coopera con la STORE per recuperare i dati. E possibile che i due servizi siano rappresentati da applicazioni differenti o che risiedano su macchine diverse. Una MOVE può comportare molteplici STORE e le STORE con il meccanismo del pending status indicano alla MOVE che le ha generate se l operazione è collettivamente conclusa o meno. La GET ha lo stesso funzionamento della MOVE ma non può operare su sistemi operativi diversi, può invocare operazioni di STORE su un solo computer. La print management consente ad un dispositivo di inviare in stampa immagini e i dati medici associati anche su più stampanti in serie. Nel processo di stampa si recuperano tutte le informazioni relative alle immagini necessarie per riprodurle (e quindi stamparle). Le immagini vengono messe in un pacchetto detto film session che costituisce l unità atomica per i processi di stampa. Sono possibili trasformazioni spaziali e in scala di grigi da applicare alle immagini (modalità LUT, VOI-LUT, inversione polarità, presentazione LUT). 2.6 Le immagini Lo standard DICOM supporta vari livelli di compressione delle immagini JPEG (LS, 2000) oltre a supportare formati video come MPEG2 memorizzati tramite frame Ciò significa che è in grado di immagazzinare video e immagini dei formati corrispondenti. Esistono numerosi software, che senza estrarre i metadati contenuti nei DICOM, sono capaci di estrarne le immagini in quanto esse sono puramente incapsulate all'interno del file rispettando la codifica originale. Ovviamente Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 18

19 nessuno di questi programmi può dire cosa le immagini rappresentano o a chi si riferiscono, non potendo leggere i metadati associati ad esse. 2.7 L identificativo Il formato DICOM garantisce l'univocità dei file. In base alla normativa ISO ogni file ha un identificativo detto UID composto da due parti, la prima è legata all'ente che genera il file mentre la seconda funge da suffisso incrementale all'interno dell'ente stesso per contraddistinguere file immessi dalla stessa organizzazione. Ogni ente è registrato presso l ISO e pertanto ha assegnato un identificativo univoco. Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 19

20 3 PACS 3.1 Introduzione L introduzione delle tecnologie digitali comporta numerosi vantaggi rispetto ai metodi tradizionali come l uso di carta stampata e di pellicole fotografiche nelle operazioni tipiche di un reparto medico ed in particolare di radiologia. Esempi sono la facilità di analisi e di manipolazione delle immagini digitali ai fini diagnostici, la riduzione dei costi e dei tempi delle operazioni, la facilità di trasporto e comunicazione dei dati. Un reparto di radiologia digitalizzato è costituito da due componenti: un sistema informatico (Radiology Information System, RIS) e un sistema di gestione di immagini digitali. Il RIS, che opera nell ambito del reparto, è un sotto sistema del Hospital Information System (HIS) che gestisce tutti i dati relativi ad un paziente nell intero ospedale. Il secondo sistema è detto Picture Archiving and Communication System (PACS) e gestisce l acquisizione, l archiviazione, la trasmissione, l elaborazione e la visualizzazione delle immagini mediche. 3.2 Architettura Il PACS nel più semplice dei casi può essere composto da un dispositivo di digitalizzazione immagini, una workstation di visualizzazione e un piccolo database di archivio. Nei casi più complessi, le fonti di dati possono essere moltissime: tutti gli apparecchi di radiografia, mammografia, tomografia (CT); di medicina nucleare (PET); di ultrasuoni (US), di risonanze magnetiche (RM) (fig 3.1). Inoltre, le apparecchiature di tipo tomografico generano, sequenze di immagini che possono essere virtualmente sovrapposte per fornire immagini 3D del paziente. Inoltre Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 20

21 immagazzinare un immagine è di per sé inutile, è necessario sapere cosa quell immagine rappresenta, come è stata prodotta e a quale soggetto si riferisce. Questi metadati di un immagine medica sono contenuti con l immagine stessa all interno di un file di formato DICOM. Scanner TIFF,BMP,.. Modality Scanning Capture Acquisizione Image Server Stampanti Query Consultazione Visualizzazione Stampa Fig. 3.1: Esempio di architettura in un sistema PACS Gli utenti di un sistema PACS possono essere principalmente di due tipi, i radiologi (refertazione) ed i medici (consultazione). In fase di visualizzazione per le diagnosi i radiologi utilizzano delle workstation ad alte prestazioni grafiche per supportare elevate risoluzioni, con molta memoria per poter analizzare più immagini contemporaneamente e con un adeguata potenza di calcolo per elaborare le ricostruzioni 3D. I medici invece possono accedere Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 21

22 direttamente all archivio dal proprio computer personale tramite delle workstation server se connessi al sistema PACS, altrimenti tramite un interfaccia web accessibile con connessioni SSL o VPN. Programmi come K-PACS simulano l archivio PACS sul pc del medico, scaricando localmente le immagini di interesse e offrendo strumenti di analisi e di misurazione per lo studio dei dati (fig 3.2). Fig. 3.2: Esempio schermata K-PACS Per i costi di esercizio, la gestione delle immagini mediche tramite l ausilio di un sistema PACS è più economico dell usuale gestione cartacea e su pellicola. Come costo di avvio, di finanziamento iniziale, è economicamente conveniente se il numero di casi per anno supera i 50000, dovendo ammortizzare le spese di acquisto delle macchine. Le operazioni di diagnosi, analisi e trasporto dei dati risultano accelerate, il sistema è robusto e i medici lo accettano integrandolo nelle loro attività giornaliere. Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 22

23 3.3 Problematiche Malgrado tante qualità ci sono delle complicazioni che rendono il funzionamento dei PACS delicato e ultimamente sempre più faticoso con previsioni future di stallo. I grandi ospedali generano una quantità immensa di dati (fig ), basti pensare che una singola immagine può richiedere 20Mb e che gli apparati tomografici generano sequenze di immagini. I flussi di dati sono quindi notevoli e solo grazie ad architetture studiate e con adeguati cablaggi è possibile trasmettere i dati senza latenza. Ma arrivati a destinazione, negli archivi, si crea un problema di spazio. Attualmente la stima è di 6mesi di permanenza dei dati nell archivio PACS di un ospedale, dopo questo tempo i dati devono essere trasferiti per liberare spazio per permettere l archiviazione di nuovi dati. Le tecniche di backup consistono nel salvataggio dei dati su supporti definitivi come nastri o dvd, automatizzati da strumenti come i jubox. L operazione è molto lenta, salvare un dato costa un terzo del tempo necessario per la sua acquisizione, cioè per salvare 3 mesi di archivio ci vuole un mese. Stesso procedimento, ma nel verso contrario si ha nel caso di recupero dei dati. Inoltre i dati gestiti dai PACS non sono informazioni qualunque, ma rientrano in una categoria particolare di informazioni, che per la loro natura devono essere protetti da accessi non autorizzati, in quanto contengono dati sensibili e devono risultare sempre reperibili entro un tempo limitato e non possono esser persi. Per tale motivo si deve quindi avere a disposizione un copia di emergenza di tutte le informazioni. Queste criticità comportano vincoli stetti, come l accesso ai dati possibile sono internamente all ospedale o se esternamente tramite connessioni sicure come SSL o VPN. Per risolvere i problemi di spazio e di tempo del recupero e del salvataggio dei dati, ultimamente si adotta la tecnica dello spinning, cioè copia dei dati non su nastri o dvd, ma su dischi tramite NAS, SAN o DAS, cioè direct o network storage. Si crea una connessione performante fra l archivio PACS interno all ospedale e una farm di archiviazione gestita con tecniche di memorizzazione come RAID1 per garantire l integrità dei dati in casi di rotture e la non interruzione del flusso in fase di Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 23

24 sostituzione di dischi rotti. Fig. 3.3: Crescita degli studi CT e delle immagini per studio Fig. 3.4: Crescita degli studi CT e delle immagini per studio Studi effettuati dalla University of Maryland presso la Mayo Clinic Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 24

25 3.4 Prospettive Tuttavia le evoluzioni che gli ospedali stanno intraprendendo sono inadeguate agli sviluppi tecnologici offerti dalle innovazioni attuali. Le preoccupazioni sulle capacità evolutive dei PACS si basano sul fatto che il mercato è estremamente ristretto, essendo chiuso ai produttori dei dispositivi medici che generano le immagini e che per primi hanno presentato soluzioni alla gestione dei dati che i loro stessi dispositivi generavano. L utilizzo di massa delle tomografie e delle risonanze magnetiche potrebbe estendersi alle ricostruzione a fascio di cono, alle immagini spettrali, l utilizzo di tali innovazioni verrebbe compromesso dai limiti dei PACS. Fig.3.5: Diagramma di flusso dei dati in un sistema PACS Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 25

26 Per dare un futuro a questi sistemi di archiviazione e trasferimento di immagini sono state ipotizzate delle innovazioni. Nel 1965 il cofondatore della Intel, Moore, formulò una previsione della durata di 10 anni sull incremento della potenza dei computer e sulla capienza della memoria secondaria, dopo 40anni la previsione continua a coincidere con lo sviluppo dei computer che per il 2012 dovrebbero raggiungere i 40 GHz di potenza e 3TB di memoria secondaria. Purtroppo nonostante la previsione ottimistica, l incremento misurato di dati immessi nei PACS che è proporzionale sia al numero di studi che alla dimensione delle immagini prodotte dagli studi è superiore alla crescita di Moore sui dischi, quindi non solo sarà necessario sostituite dischi con altri più capienti, ma se ne dovranno aggiungere ulteriori se ci si baserà sui dischi come unità di archiviazione. Un alternativa potrebbero essere le memorie solid-state drive (SSD), unità a stato solido, memorie non volatili che risolverebbero praticamente tutti i problemi che hanno attualmente le farm di dischi. Consumano meno, scaldano meno, sono più affidabili, non hanno vincoli di dimensioni, hanno tempi di lettura e scrittura inferiori non avendo parti meccaniche in movimento e si sta investendo molto su questa tecnologia. Per ora rimane una speranza in quanto ancora non si è raggiunti la stessa capacità di capienza dei dischi, ma soprattutto il costo è proibitivo, anche se con una radicale diffusione potrebbe calare rapidamente. Altra prospettiva è quella di sfruttare il mercato delle aziende che offrono farm di blade server per risolvere i problemi di spazio che nascono dalla necessità di avere molte workstation e molte unità di archivio in un ospedale, esternalizzando i problemi di ingombro, prestazioni, tolleranza ai guasti meccanici e potenza di calcolo, che verrebbero demandate al gestore della farm. Le comunicazioni server-server sono istantanee, gli spazi occupati ridotti del 90%, la frequenza di manutenzioni dovute a guasti meccanici come ventole, alimentatori o parti mobili dei dischi minima, grazie all architettura dei server blade. Un ulteriore sviluppo sarebbe utile alle applicazioni client, oggi appesantite dai conflitti che si creano con lo stato software costituito dai sistemi operativi, un Daniele Dell Erba 566/2748 Pagina 26

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