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Wie elektronische medizinische Informationsarchive helfen, Krankheiten effektiver zu diagnostizieren



Laut IDC-Prognosen wird die Gesamtmenge der in Gesundheitsorganisationen gespeicherten Daten bis 2025 auf 2,3 Zettabyte ansteigen, und verschiedene medizinische Bilder werden bis zu 80-90% der verwendeten Speicherkapazität ausmachen. Die Bedeutung einer effizienten Speicherung von medizinischen Bildern ist anhand des folgenden Beispiels wichtig.

In der Diagnoseabteilung eines Krankenhauses in Tucson (Arizona) werden bis zu 40 Röntgenbilder für einen Mammographie-Scan (Diagnose von Brustkrebs bei Frauen anhand von Röntgen, Ultraschall und MRT) aufgenommen und zwei oder vier Bilder mit MRT aufgenommen sowie zwei bis fünf Biopsien. In 80% der Fälle werden alte Patientenbilder, die vor zwei Jahren und früher aufgenommen wurden, zur Interpretation der Ergebnisse der Mammographie verwendet. In schwierigen Fällen können Bilder erforderlich sein, die vor 10 Jahren aufgenommen wurden. Um alte Fotos schnell aus dem Archiv abzurufen, wird das digitale Krankenhaussystem PACS (Picture Archiving and Communication System) verwendet.

Die Verwendung alter Bilder, die in PACS gespeichert sind, verringert das Risiko von Fehlern bei der Diagnose von bösartigen Tumoren erheblich und erspart Patienten mit einem gutartigen Tumor die erneute Durchführung einer Mammographie und sogar einer Biopsie, um sicherzustellen, dass ihr Tumor nicht bösartig ist. Gleichzeitig verringert der Vergleich mit alten Bildern das Risiko einer fehlerhaften Interpretation von Bildern bösartiger Tumoren und ermöglicht es Ihnen, dem Patienten schnell die geeignete Behandlung der Pathologie und zusätzliche Analysen zuzuweisen.

Merkmale der Langzeitspeicherung von medizinischen Bildarchiven


Was sollte das ideale Speichersystem sein, das als Speichersystem für PACS verwendet wird? Angesichts der Größe der medizinischen Bilder muss es offensichtlich hoch skalierbar sein, damit die Ergebnisse von Analysen jedes Patienten gespeichert werden können, die über mehrere Jahrzehnte hinweg gesammelt wurden. Die zweite Anforderung besteht darin, ein schnelles Suchen und Abrufen von Daten aus dem Archiv sicherzustellen, ohne die es unmöglich ist, alte Bilder zur Interpretation der Ergebnisse neuer Umfragen zu verwenden.

Schließlich ist es beim Speichern von medizinischen Bildern erforderlich, die Möglichkeit von "Datenlecks", Verlust und versehentlichem oder vorsätzlichem Löschen oder Beschädigen vollständig auszuschließen. Ein Merkmal beim Speichern von Daten in PACS sind die relativ geringen Anforderungen an die E / A-Leistung: Es ist offensichtlich, dass die Analyseergebnisse nur einmal in das Archiv geschrieben werden und sich nie ändern, und nur eine begrenzte Anzahl von Benutzern kann Anforderungen zum Extrahieren dieser Daten aus dem Archiv senden. Patientendaten werden normalerweise nicht mehr als einmal im Jahr angefordert.



Herkömmliche Speichersysteme der Enterprise-Klasse sind in erster Linie wegen der zu hohen Kosten für die Datenspeicherung nicht für PACS geeignet. Dies ist hauptsächlich auf die hohe Leistung zurückzuführen, die für medizinische Bildarchive bei der Wartung von Transaktionsanwendungen nicht erforderlich ist, und billigere Einstiegsspeichersysteme verfügen nicht über die für PACS-Archive erforderliche Skalierbarkeit.

Vielleicht die beste Lösung zum Speichern von medizinischen Bildern


Die Hauptlösung zum Speichern von medizinischen Bildern und anderen unstrukturierten Inhalten in Gesundheitsorganisationen ist die Verwendung von Datei- und Objektspeichersystemen mit hoher Skalierbarkeit und niedrigen Speicherkosten pro Gigabyte. Einer der Marktführer in diesem Speichersegment ist Scality, das für seinen softwaredefinierten Speicher Scality RING wirbt. Die erste Version von Scality RING wurde 2010 veröffentlicht. Dies ist eine Scale-Out-Lösung, die Peer-to-Peer-Kommunikation und eine verteilte Architektur verwendet, die auf Standard-x86-Servern bereitgestellt wird. Scality RING unterstützt S3- und Swift-Objektdatenzugriffsprotokolle, einfache HTTP-APIs und Dateizugriff. Im vergangenen Jahr gelang es Scality, die Anzahl der Installationen seiner Systeme im Gesundheitswesen zu verdoppeln.

Die Scality RING-Software wird auf einem Cluster bereitgestellt, der aus einer Mindestkonfiguration von drei Speicherknoten besteht, und implementiert eine Reihe intelligenter Datenzugriffsdienste sowie Datenschutz und Systemverwaltung. Auf der oberen Ebene befinden sich skalierbare Datenzugriffsdienste (Connectors), die die Bereitstellung von Daten für Anwendungen über die Protokolle SMB, NFS und S3 ermöglichen, sowie ein Supervisor für die zentrale Verwaltung und Überwachung des Systemstatus. Konnektoren werden normalerweise direkt auf Speicherknoten installiert, können jedoch auch auf dedizierten Servern bereitgestellt werden.

Speicher auf mittlerer Ebene Scality RING ist ein verteiltes virtuelles Dateisystem mit mehreren Datenschutzmechanismen, Selbstheilungsprozessen des Systems sowie Systemverwaltungs- und Überwachungsdiensten. Die unterste Ebene des Stapels ist die verteilte Speicherebene, die die virtuellen Speicherknoten und die E / A-Dämonen bilden und die physischen Speicherserver und Festplattenschnittstellen abstrahieren.

Das Herzstück der Speicherebene ist der skalierbare verteilte Objektspeicher mit Schlüsselwerten, der auf dem Peer-to-Peer-Routing-Protokoll der zweiten Generation basiert. Das Routing bietet eine effiziente horizontale Speicherskalierung und Suche über eine sehr große Anzahl von Knoten. Die Software für diese Speicherdienste wird auf allen Servern mit der erforderlichen Rechenleistung und Kapazität des Festplattensubsystems bereitgestellt. Die Server (Knoten), auf denen die Scality RING-Software bereitgestellt wird, sind über eine standardmäßige IP-basierte Netzwerkfactory verbunden, z. B. über 10/25/40/100 Gigabit Ethernet.

Scality RING enthält die folgenden Softwarekomponenten: Connector-Server, ein verteiltes MESA-DBMS zum Speichern von Metadaten, Speicherknoten, E / A-Daemons und ein webbasiertes Verwaltungsportal. MESA bietet Objektindizierung und Metadatenverwaltung auf der Abstraktionsebene des Scality Scale-out-Dateisystems (SOFS).

Scality RING-Konnektoren bieten Anwendungszugriff auf Daten, die auf Servern gespeichert sind. Sie unterstützen viele Datenzugriffsprotokolle, einschließlich des S3-Objekts von Amazon Web Services (AWS) S3, das auf dem REST-Standard (Representational State Transfer) basiert, sowie der NFS-, SMB- und FUSE-Dateiprotokolle. Eine einzelne Anwendung kann gleichzeitig mehrere RING-Konnektoren verwenden, um auf Daten zuzugreifen, wenn Sie E / A horizontal skalieren oder viele Benutzer parallel bedienen müssen.

Ein Speicherknoten ist ein virtueller Prozess, der für Objekte verantwortlich ist, die dem zugewiesenen Teil eines verteilten Schlüssel-Hashs eines Schlüssel- (Schlüsselraum-) RING zugeordnet sind. Daemons von Speicherknoten (das sogenannte Bizoid) stellen die Unveränderlichkeit von Daten sicher, die auf der Festplatte in einem lokalen Dateisystem auf niedriger Ebene gespeichert sind. Sechs virtuelle Speicherknoten werden auf einem physischen Server (Host) bereitgestellt. Jede Biziode ist eine Instanz eines Prozesses auf niedriger Ebene, der Eingabe- / Ausgabeoperationen auf einer bestimmten physischen Festplatte steuert und die Entsprechung von Objektschlüsseln zu den Adressen bestimmter Objekte auf dieser Festplatte aufrechterhält.

Um eine hohe Verfügbarkeit des Objektspeichers (bis zu 14 Neunen) zu gewährleisten, verwendet Scality RING anstelle der klassischen RAID-Technologie verschiedene Datenschutzmechanismen, die für verteilte Systeme optimiert sind, einschließlich lokaler und geografisch verteilter Replikation und Löschcodierung, die mit Replikation kombiniert werden können Löschcodierung in einem Anschluss. Beim Speichern kleiner Objekte (bis zu 60 KB) ist die Replikation eine kostengünstigere Schutzlösung und für große Objekte die Löschcodierung, bei der große Datenmengen nicht repliziert werden müssen. Während der Replikation werden sechs Ebenen der Class of Service (CoS) -Dienstklasse von 0 bis 5 verwendet, was dem Speichern von 3-5 Replikaten eines Objekts entspricht, und alle Replikate werden auf verschiedenen Datenträgern gespeichert.

Bei Verwendung der Löschcodierung wird der Reed-Solomon-Fehlerkorrekturmechanismus verwendet, bei dem anstelle der Speicherung mehrerer Replikate eines Objekts in „Datenblöcke“ unterteilt wird, die zusammen mit Paritätsblöcken geschrieben werden. Diese Teile werden auf die RING-Knoten verteilt, und Sie können Daten von ihnen wiederherstellen, wenn ein oder mehrere Knoten ausfallen. Eine hohe RING-Fehlertoleranz wird auch durch die Share-Nothing-Architektur sichergestellt, in der es keinen Hauptknoten („Master“ -Knoten) gibt, dessen Ausfall zum Ausfall des gesamten Systems führen kann.

Scality RING-Ökosystem


Obwohl Scality RING auf jeder Standard-x86-Serverarchitektur bereitgestellt werden kann, stellt Gartner in seinem Magic Quadrant für verteilte Dateisysteme und Objektspeicher fest, dass seine Implementierung eine sorgfältige Geräteauswahl und ein detailliertes Projektdesign sowie ein tiefes Eintauchen in die IT erfordert - Kundenspezialisten für Scality-Technologie.

Seit 2014 bietet Hewlett Packard Enterprise, ein strategischer Partner von Scality, zwei Servermodelle aus der HPE Apollo 4000 Gen10-Serie , die speziell für die Big Data- Analyse entwickelt wurden , als Hardwareplattform für eine gemeinsame Lösung für die softwaredefinierte Objektspeicherung von Scality RING an. und Objektspeicher: HPE Apollo 4200Bereitstellung einer ultrahohen Speicherdichte (bis zu 392 TB in einem 2U-Gehäuse mit 28 LFF-Festplatten in voller Größe oder 54 2,5-Zoll-SFF-Laufwerken) und für die Hyper- Skalierung der HPE Apollo 4510- Kapazitäten basierend auf 4U-Chassis (68 Full-Size-Festplatten pro Gehäuse, mehr) 9 Petabyte in einem Standard-42U-Server-Rack).

Mit beiden HPE Apollo 4000 Gen10-Modellen können Sie das Festplattensubsystem flexibel konfigurieren, um bestimmte Leistungs- und Kapazitätsanforderungen für Speicherknoten zu erfüllen, und HPE iLO 5- Server- Remoteverwaltungstools unterstützen , die Benutzern von HPE ProLiant- Servern vertraut sind und die Ihnen bei der schnellen Bereitstellung einer großen Anzahl von Scality RING-Speicherknoten und helfen effektiv verwalten.

Die gemeinsame Lösung von HPE und Scality ist als globales Repository für unstrukturierte Daten (einschließlich Archive) positioniert, wenn große Bandbreite und Kapazität viel wichtiger sind als die minimale Verzögerung beim Zugriff auf gespeicherte Daten. Es lässt sich auf mehrere tausend Knoten für Datenspeicherung und -zugriff skalieren und bietet die Speicherung von Hunderten von Petabyte an Daten und Billionen von Objekten in einem Namespace.

Zum zusätzlichen Schutz der gespeicherten Informationen können Sie verschiedene Backup-Softwarepakete verwenden, da Scality seinen Cloud-Speicher für die Kompatibilität mit VEEAM-, Commvault-, Microfocus Data Protector-, Cloudera-, MAPR- und WEKA.IO-Produkten sowie für die Verwendung von Scality RING im Gesundheitswesen als Archiv für medizinische Bilder zertifiziert hat bietet Zertifizierung für die Kompatibilität mit PACS-Systemen Fujifilm, GE Healthcare, Philips und mehreren anderen Anbietern.

Fallstudien zu Scality Ring im Gesundheitswesen


Derzeit verwenden allein in Frankreich mehr als ein Dutzend der größten Krankenhäuser Scality Ring-Speicher von 400 TB bis 6 PB, um Archive mit medizinischen Bildern zu speichern. Beispielsweise wird im Assistance Publique Hôpitaux de Marseille (AP-HM) eine große gemeinsame Installation von HPE und Scality implementiert, die vier Krankenhäuser in Marseille mit 3400 Betten kombiniert und die drittgrößte in Frankreich ist. In AP-HM-Krankenhäusern arbeiten 2.000 Ärzte und 8.500 andere medizinische Mitarbeiter.

Bis 2011 verwendete der AP-HM EMC Centera zum Speichern von PACS-Bildern. Zu diesem Zeitpunkt betrug das Gesamtvolumen der medizinischen Bilder 60 TB, sie wurden jedoch zum Schutz der Daten repliziert, sodass sie 120 TB Kapazität beanspruchten. Jedes Jahr erzeugte das Krankenhaus-PACS weitere 20 TB neuer Bilder. Im Jahr 2011 ersetzte AP-HM Centera durch ein NAS-System und bis 2017 stieg das Bildvolumen auf 320 TB und die Wachstumsrate auf 40 TB pro Jahr. Da die Garantie für den NAS knapp wurde und die Speicherkapazität dieses Speichers aufgrund des schnellen Wachstums des Datenvolumens nicht mehr ausreichte, entschied sich das Management der AP-HM-Krankenhäuser, ihn erneut zu ersetzen.

Bei der Auswahl eines neuen Speichersystems musste die Kompatibilität mit allen in Krankenhäusern verwendeten Anwendungen sichergestellt werden, einschließlich der Unterstützung von CIFS- und NFS-Dateiprotokollen, der Skalierung über mehrere Petabyte, des zuverlässigen Schutzes und der Datensicherheit. AP-HM hat HPE und Scality RING ausgewählt und einen RING-Cluster erstellt, der auf drei Rechenzentren von sechs HPE Apollo 4510-Speicherservern sowie zwei HPE ProLiant DL360-Servern verteilt ist , auf denen META-Metadatendatenbanken gespeichert sind. Die Hauptanwendungen sind das Carestream PACS-System von GE Healthcare, das die Bilder aufzeichnet, die als Ergebnis radiologischer Studien und des Genomics-Archivs erhalten wurden. Medizinische Bilder und andere Daten werden mit der Commvault-Software gesichert.

Verfügbarkeit von Scality Ring in Russland


HPE und Scality haben umfangreiche Erfahrungen in Verbundprojekten gesammelt. Mit der Implementierung von Scality RING in medizinischen Einrichtungen in Russland sind zertifizierte Ingenieure aus dem Moskauer HPE-Büro bereit, dem Kunden zu helfen.

Mit Factory Express liefert HPE Apollo 4000 Gen10, das für die kundenspezifische Bereitstellung des Scality RING-Clusters vorkonfiguriert ist, und bietet auch die Referenzarchitektur dieser Serversysteme für den RING-Cluster. Seit Mai letzten Jahres liefert HPE das Basispaket-Starterpaket von Apollo 4200 Gen10-Servern mit einer anfänglichen Kapazität von 240 TB und vorinstallierter Scality RING-Software. Um das Basispaket bereitzustellen, müssen Sie nur die Netzwerkgeschwindigkeit und die erforderliche Speicherkapazität festlegen.

Weitere Informationen zum Scality Ring sowie Informationen zur Benutzeroberfläche und zu Beispielen für die Integration in Sicherungssoftware erhalten Sie beim technischen HPE-Webinar, das am 17. Juni stattfindet. Die Registrierung ist verfügbar unter: bit.ly/3bA9HP7

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