Objektinių Technologijų Naudojimas Medicininių Duomenų Saugojimui Ir Paieškai

Įvadas

Medicininės paskirties informacinės sistemos (IS) yra viena iš pastaruoju metu intensyviai besiplėtojančios e-sveikatos sistemos komponentų. Pagrindiniai šiuolaikinių medicininių IS skiriamieji bruožai yra: 1) saugomi ir kaupiami duomenys yra įvairialypiai; 2) informacija yra surišta sudėtingais semantiniais ryšiais, kurie, kaupiantis žinioms, neišvengiamai evoliucionuoja; 3) informacijos kiekiai yra dideli, nes apima visą gyvenimą trunkančius pacientų sveikatos įrašus; 4) vartotojų ratas (pav. gydytojai) yra plačiai pasiskirstęs per visus tris sveikatos paslaugų lygius, todėl reikalingos saugios ir patogios kompiuterinio tinklo prieigos dvipusiam ryšiui su IS; 5) IS turi būti suderintos su Europos Sąjungos (ES) [1] ir tarptautiniais standartais [2, 6]; 6) duomenys turi tarnauti klinikinių sprendimų rengimui (KSR).

Tai kelia gana specifinius reikalavimus IS, jų architektūrai. Taip pat kuriant tokias sistemas reikia ieškoti naujų technologijų [3, 4, 5, 7, 16, 17]. Šiuo metu pasaulyje yra sukurta ir kuriami vis nauji standartai optimizuojantys ir palengvinantys pacientų sveikatos įrašų, taip pat ir vaizdų saugojimą. Tačiau jų apdorojimas ir centralizuotas saugojimas išlieka problema, kadangi ilgą laiką naudotos technologijos nėra pakankamai lanksčios tokiems duomenims saugoti ir apdoroti. Be to, iškilus suderinamumo tarp nacionalinių sveikatos paslaugų užtikrinimo poreikiams bei vystantis kompiuterinėms technologijoms medicinoje didėja poreikis vieningo tarptautinio standarto skirto medicinos duomenų mainams. Kiekvienoje šalyje šie klausimai iki šiol buvo sprendžiami gana skirtingai, todėl šiuo metu egzistuoja atskiri standartai, aprašantys įvairius IS ir duomenų saugojimo aspektus: ASTM, ASC X12, IEEE/MEDIX, NCPDP, HL7 (Health Level 7) [6], DICOM [2] ir kt. Kiekvieną standartą kurianti organizacija, grupė ar komitetas paprastai specializuojasi. Deja, nors standartai sumažina ir gelbsti dirbant su medicininiais duomenimis, tačiau duomenų perdavimas ir kaupimas vis dar išlieka technologinė problema. Ilgą laiką naudojamos technologijos nėra pakankamai lanksčios dirbti su minėtais duomenimis. Duomenys saugomi reliacinėse duomenų bazėse (RDB), nors teigiama [18, 19], kad objektinės (ODB) turi vis daugiau privalumų. Saugios ir lanksčios internetinės prieigos reikalavimas taip pat verčia ieškoti efektyvių programavimo kompiuteriniuose tinkluose technologijų.

Šio straipsnio tikslas yra išanalizavus galimybes pasiūlyti ir sukuti medicininės IS architektūrą, atitinkančią pagrindinius aukščiau išvardintus bruožus, palyginti ir pasiūlyti atitinkamas IS įgyvendinimo priemones. Šiam tikslui pasiekti analizuojamos objektinės duomenų bazės (ODB), jų veikimui tinkluose palankios programavimo technologijos, duomenų saugojimo metodai, bei analizuojamos ir įgyvendinamos pagrindinės siūlomos sistemos savybės. Taip pat ši sistema ruošiama integracijai į Nacionalinę elektroninės sveikatos sistemą (NESS), kuri šiuo metu yra kuriama nacionaliniu mastu. Deja, kol kas negalime pavaizduoti sistemų integralumo, kadangi NESS dar nėra įdiegta, tačiau pateikėme keletą pastebėjimų.

Metodai

Objektinių duomenų bazių analizė
Objektinė duomenų bazė yra nauja sparčiai besivystanti technologija, kurią diegia vis daugiau kompanijų. Tačiau jau atsiranda ir ODB bazių vartotojai, o didėjant jų skaičiui - daugėja ir poreikių. Šios duomenų bazės (DB) ypatingos tuo, kad duomenys jose saugomi lentelėmis, kurios savyje gali turėtu kitas lenteles, sukurdamos hierarchiją. Lentelės užpildomos ne tik konkrečiais duomenimis, bet ir objektais. Tokią technologiją labai patogu pritaikyti medicininių diagnostinių vaizdų saugojimui. Kadangi medicininės informacinės sistemos yra nuolatos evoliucionuojančios, objektinis principas duomenų bazėms suteikia lankstumo ir patikimumo [18, 19]. Taip pat įgalinamas objektų bendravimas duomenų bazėje.

Reliacinės duomenų bazių valdymo sistemos (RDBVS), pritaikytos tik tekstinių ir skaitmeninių duomenų saugojimui. Jos nepajėgios susitvarkyti su neapibrėžtais iš anksto duomenų tipais, kurie susiformuoja šiuolaikinėse objektinėse kalbose. Be to, RDBVS visiškai nepritaikytos objektų sudėtinėms dalims - metodams saugoti. Informacinė sistema turi apdoroti ne tik tekstus, bet ir skaičiavimo lenteles, vaizdus, diagramas, žemėlapius, garso įrašus, kitokią daugialypės terpės informaciją. Be to, visa ši informacija turi būti organizuota kaip vieninga struktūra, patogi vartotojui. Objektinė technologija galėtų užtikrinti naują informacijos saugojimo ir paieškos technologiją, suteikti informacijos valdymui naujų galimybių.

Objektinės duomenų bazių valdymo sistemos (ODBVS) saugo ir sudėtingas struktūras - sudėtinius objektus (composite objects), kurie susideda iš kitų objektų. Sudėtiniai objektai saugomi sudarant adresines nuorodas (references) į žemesnio lygio objektus, lygių skaičius gali būti labai didelis. Kiekvienas objektas gali būti įtrauktas į daugelį kitų objektų kaip komponentė. Taip susiformuoja struktūra. Objektinėse DB yra vidinių duomenų tipų, tačiau galima sukurti naujus, reikalingus konkrečiu atveju, duomenų tipus, ši savybė įgalina saugoti daugialypės terpės informaciją: paveikslus, nuotraukas, vaizdo įrašus, kalbos įrašus, muziką ir kitokių tipų informaciją.

Objektinės DB yra dviejų tipų: pasyvios ir aktyvios. Pasyvios ODB saugo objektų struktūrą, bet nerealizuoja objektų elgsenos. Aktyvios ODB leidžia objektams sąveikauti tiesiog duomenų bazėje.

Dauguma siūlomų ODBVS yra mokamos. Lentelėje pateiktos geriausiai žinomos [8].

1 lentelė. Komercinės ODBVS.

ODBVS	Platintojas
Versant Developer Suite and FastObjects	Versant Corporation
TITANIUM	Micro Data Base Systems, Inc.
GemStone/S and GemStone Facets	GemStone Systems, Inc.
Cache´	InterSystems Corporation
JADE	Jade Software Corporation
JYD Object Database	JYD Software Engineering Pty Ltd.
VOSS	Logic Arts, Ltd.
Objectivity/DB	Objectivity, Inc.
ObjectStore Enterprise and PSE Pro	Progress Software Corporation

Vis tik didesnė pasiūla yra nemokamų ODBVS. Sekančioje lentelėje apibūdintos septynios atviro kodo ODBVS [10, 11, 12, 13, 14, 15].

2 lentelė. Atviro kodo ODBVS.

Iš lentelės matome, kad dauguma atviro kodo DB sukurtos J2EE programavimo aplinkai. Tačiau ne visos jos atitinka standartus ir užtikrina pilną ODB būdingą lankstumą. Objektinių duomenų bazių standartus tvarko ODMG (Object Database Management Group) [9]. Vis tik, analizės metu, nepavyko įžvelgti nė vieno trūkumo ODBVS db4o, kurią pasirinkome galutiniam rezultatui įgyvendinti.

J2EE ir .NET technologijų palyginamoji analizė
Tinklo paslaugos (Web service) technologijos šiuo metu yra labai plačiai naudojamos, dėl to, kad jos suteikia daug galimybių programuotojui, jų realizavimas nėra sudėtingas. Pagrindinės vyraujančios platformos yra J2EE ir .NET. Kompanijos siūlančios šias paslaugas yra ir vienos didžiausių konkurenčių. Taigi programuotojui, ketinančiam naudoti vieną iš šių produktų iškyla sunkus uždavinys - kurią pasirinkti. Sun Microsystems siūlo naudoti Java 2 Platform, Enterprise Edition (J2EE), o Microsoft - .NET technologiją. Abi šios technologijos siūlo įrankius tinklo paslaugų kūrimui. Pagrindinis J2EE privalumas yra tas, kad jos įrankius galima naudoti bet kurioje operacinėje sistemoje (OS). Microsoft .NET sukurta Windows operacinėms sistemoms, tačiau šiuo metu kompanija siūlo atitinkamus įrankius ir Linux OS. Abi technologijos naudoja objektines programavimo kalbas (.NET - Visual Basic ir kt., J2EE - JAVA). .NET technologijos privalumas yra tas, kad ji geba atvaizduoti puslapius įvairiais HTML formatais. Nors J2EE technologijoje servletais galima gauti tokį patį rezultatą, tačiau jie reikalauja papildomo programavimo [7]. Dar vienas .NET privalumas yra daugiakalbiškumas, ji palaiko Visual Basic, C#, Fortran ir COBOL programavimo kalbas. J2EE veikia tik JAVA programavimo kalba. Pagrindinės šių technologijų funkcijos pateiktos lentelėje [3, 4, 16].

3 lentelė. J2EE ir .NET technologijų suvestinė.

Kaip matome abi technologijos yra ypatingai panašios. Svarbiausia, kad jos įgalina kurti tinklo paslaugas, atvaizduoti duomenis internete. .NET tinklo paslauga gali būti vartotoju J2EE tinklo paslaugoms ir atvirkščiai, kadangi standartai, kuriuos pastarosios naudoja, yra vienodi [7]. Be to tinklo paslaugų programas, galima pakartotinai panaudoti, nesvarbu kokia platforma naudojantis jos sukurtos. Dauguma autorių, dėl technologijų panašumo, nenurodo ypatingų priežasčių, kurios galėtų lemti pasirinkimą [5, 16, 17]. Vis tik galima įžvelgti kai kuriuos .NET privalumus, jos plėtojimo, bei naudojimo galimybes. Tai lėmė technologijos parinkimą galutinio produkto kūrime.

Sistemos architektūra ir funkcionalumas
Medicininių duomenų saugojimui ir apdorojimui skirtą IS būtų galima realizuoti naudojantis minėtomis technologijomis. Nepriklausomai nuo šiuo pasirinkimo sistemos architektūra yra analogiška (1 paveikslas).

1 paveikslas. IS architektūra .NET ir J2EE technologijoms.

Šių technologijų panašumo privalumas yra tas, kad jei kiltų būtinybė, abi sistemos galėtų bendrauti su DBVS. Kaip minėta ankstesniuose skyriuose, medicininių duomenų saugojimo, gavimo ir paieškos sistemos kūrimui pasirinkome ODVS db4o [10] ir .NET technologiją. Paveiksle pavaizduota sukurtos sistemos architektūra.

 2 paveikslas. Sukurtos sistemos architektūra.

Kaip matome sistema susideda iš trijų lygmenų: atvaizdavimo, programos logikos ir duomenų. Bendravimas tarp atvaizdavimo ir duomenų lygmenų yra vykdomas per programos logikos lygmenį. 3 paveiksle pavaizduota kuriamos informacinės sistemos panaudojimo atvejų diagrama.

 3 paveikslas. IS panaudojimo atvejų diagrama.

Panaudojimo atvejų diagrama vaizduoja sistemos funkcionalumą (funkcijas, kurias gali atlikti vartotojas ir administratorius).

Rezultatai

Sistema sukurta naudojant aprašytas technologijas. Integracija tarp .NET ir db4o nesukėlė didesnių problemų. Bendravimas tarp sistemos ir duomenų bazės pasiekiamas per standartinį duomenų bazės užklausų mechanizmą, kuris yra standartinėse duomenų bazės bibliotekose. Programinio kodo pavyzdžiai, vaizduojantys ODB užklausas ir programavimo galimybes, panaudotas sukurtoje sistemoje, pateikti lentelėje.

4 lentelė. Programinio kodo pavyzdžiai, vaizduojantys ODB užklausas ir programavimo galimybes.

Duomenų bazė yra viena .yap tipo byla, blob tipo byla gali būti bet kokia byla be jokių apribojimų dydžiui ar bylos plėtiniui (jei pageidaujama). Taigi duomenų ir bylų įkėlimo mechanizmai labai lankstūs ir patogūs programuotojui.

Metodas sistemos testavimui. Sukūrus sistemą buvo vykdomas jos testavimas ir atliktas eksperimentas įvedant keletą sistemos pakeitimų. Eksperimento metu siekta įvertinti objektinių technologijų, naudotų IS realizavimui, funkcionalumą, atlikti pakeitimai visuose trijuose sistemos lygmenyse - duomenų bazėje, vartotojo sąsajoje ir programos logikos lygmenyse. Didžiausias dėmesys skirtas parodyti ODBVS privalumus medicininiams duomenims saugoti ir apdoroti. Šiai užduočiai įgyvendinti sukurtas scenarijus realiai egzistuojantis ir praktikoje. Atsiranda pakitimai funkciniuose reikalavimuose - papildomai reikia įvesti medicininių vaizdų parametrus. Po pirminio testavimo atlikome pakeitimus minėtus scenarijuje ir po to vėl atlikome sistemos testavimą. Sekančios keturios dalys apibūdina testavimo procedūrą, pasikeitimus duomenų bazėje, atvaizdavimo, bei programos logikos lygmenyse.

Testavimas. Testavimui naudoti duomenys sukaupti Kauno medicinos universiteto klinikose pacientų apžiūros metu. Testavimui naudojome nedidelį kiekį duomenų, kadangi pagrindinė užduotis buvo įvertinti duomenų saugojimą ODBVS, bet ne atlikti DB veikimo matavimus. Testavome vartotojo funkcijas (pvz.: įkelti/išrinkti informaciją apie pacientą, peržiūrėti paciento nuotraukas), administratoriaus funkcijas (pvz.: vartotojų registracija), taip pat vartotojo sąsają (pvz.: navigaciją, duomenų gavybos rezultatus). Visos procedūros, kaip ir viskas testavimas, atlikti sėkmingai.

Pakitimai duomenų bazėje. Tam, kad vaizdžiai parodyti ODB pranašumus, sukūrėme RDB modelį analogišką ODB klasėms. Pasikeitimai stebėti lyginant vaizdines diagramas. Supaprastinta vienos dalies vaizdinė diagrama pateikta 4 paveiksle.

4 paveikslas. Duomenų bazių modeliai: a) ODB b) RDB.

Iš paveikslo matome, kad ODB modelyje yra saugoma mažiau duomenų, negu RDB. Nereikia saugoti identifikatorių, kadangi sąveika tarp klasių yra atliekama operacija ("EyeImageData()" paveiksle 4 a). Laukas "Filename" (4 b paveiksle) yra nereikalingas ODB, kadangi „blob" (bet kokia daugialypės terpės ar kita byla) tipo bylos informacija yra automatiškai kaupiama duomenų bazėje. Taigi nėra reikalo kurti papildomus laukus sąryšiui tarp lentelių, be to duomenys nėra dubliuojami, taip pat daugialypės terpės informacijos valdymas yra patogesnis.

Pakitimai vartotojo sąsajoje. Vartotojo sąsajos pakeitimai dirbant su RDB ir ODB yra ekvivalentūs, kadangi atvaizduojami tie patys duomenys. 5 paveiksle pavaizduoti šie pakitimai sukurtos sistemos atvejui.

5 paveikslas. Pakitimai vartotojo sąsajoje.

Pakitimai programos logikos lygmenyje. Pakitimai šiame lygmenyje yra gerokai sudėtingesni. Abiem atvejams reikiami šie pakeitimai:

• programinis kodas naujiems vartotojo sąsajos elementams,
• testavimas šiems elementams, naudojant papildomus duomenis,
• naujų duomenų įkėlimas.

Nedetalizuosime kaip ODBVS elgiasi šiuo atveju, tačiau naudojantis ODBVS db4o duomenų peržiūros ir išrinkimo programa „Object Manager", pastebėsime, kad duomenų bazės struktūros yra automatiškai atnaujinamos, kuomet DB yra sužadinama. Duomenų įkėlimui ir atnaujinimui, pavaizduotam 6 paveiksle, reikalingas toks pats programinis kodas - ir įkėlimui ir atnaujinimui galioja tas pat sakinys. Tačiau, RDB reikalingi du SQL (Struktūrizuota užklausų kalba, Structured Query Language) sakiniai (Insert Into ir Update). Toks sutrumpinimas ODB akivaizdžiai sumažinam programinio kodo kiekį. Tai pavaizduota 6 paveiksle, kuriame matomi adresinė nuoroda ir nauji duomenys.

6 paveikslas. ODB adresinė nuoroda ir nauji duomenys.

Taip pat pastebėkime, kad adresinė nuoroda išskleidžia naujus duomenis, taip išvengiama duomenų dubliavimo.

Baigiant, galime pastebėti, kad neturėtų kilti problemų integruoti šią sistemą į NESS, kadangi NESS šiam tikslui naudoja IHE (Integrating Healthcare Enterprise). Kadangi db4o ODB yra viena byla konvertuojama į XML (eXtensible Markup Language), kuris kartu su HL7 ir CDA Level 2 yra naudojami NESS, neturėtų kilti problemų sistemų bendram darbui.
Kiti pastebėjimai ir ODBVS privalumai pateikti sekančiame skyriuje.

Diskusija ir išvados

Tarptautinis bendradarbiavimas dirbant su standartais po truputį veda prie spartesnės produktų kokybės, taip pat ir programinės įrangos plėtotės. Sistemos geba dirbti naudojant skirtingus duomenų tipus, užtikrinant suderinamumą ir lankstumą. Ateityje sukurtą sistemą ketiname integruoti į NESS.

ODBVS analizė parodė, kad ji yra patogi ir pakankamai lanksti kaupti nuolat besikeičiančius duomenis. Naudojant objektines technologijas nesudėtinga įgyvendinti nutolusių DB pasiekiamumą.

Sukurta sistema parodė, kad ji yra pakankamai lanksti ir lengvai keičiama, kadangi naudojamos tinkamos technologijos, kurios tuo pačiu metu yra pajėgios dirbti su medicininiais standartais. Nors sistema galėjo būti sukurta naudojant skirtingas technologijas, mes nusprendėme naudoti .NET, dėl jos plėtojimo, daugiakalbiškumo galimybės, patogios Visual Studio .NET programavimo aplinkos integruotumo.

Eksperimento metu parodyti šie pagrindiniai ODB privalumai prieš RDB:

• galimybė įkelti/atnaujinti duomenis ta pačia komanda,
• sumažėja programinio testo ir klaidos tikimybės,
• esant adresinėms nuorodoms tarp objektų nereikia kurti papildomų laukų ryšiams tarp lentelių palaikyti,
• duomenys nedubliuojami,
• lankstesnis daugialypės terpės informacijos saugojimo mechanizmas,
• pildant DB nereikia kurti ryšių ir lentelių duomenų bazės lygyje.

Eksperimentui atlikti naudojome nedidelį kiekį duomenų, tačiau ateityje galvojame kaupti didesnius kiekius duomenų, ir stebėti laikines DB veikimo charakteristikas.

Taip pat protinga paminėti, kad pateikti rezultatai nereiškia, jog reikėtų atsisakyti RDBVS naudojimo, greičiau tai paskatinimas išbandyti ODBVS - pakankamai lanksčią technologiją sprendžiant skirtingas problemas, ypač susijusias su e-sveikatos sistemomis.

Literatūra

[1]	CEN/TC 251- Standard Development Workgroup site svetainė, prieiga per internetą: http://www.centc251.org/
[2]	DICOM duomenų mainų standarto svetainė, prieiga per internetą: http://medical.nema.org/
[3]	Estes B. T., Maxime O.: J2EE vs .Net: The choice depends on your needs. 2003; prieiga per internetą: http://www.computerworld.com/printthis/2003/0,4814,84155,00.html
[4]	Farley J.: Microsoft .NET vs. J2EE: How Do They Stack Up?. 2000; prieiga per internetą: http://java.oreilly.com/news/farley_0800.html
[5]	Hanson J. J.: .NET versus J2EE Web Services. A Comparison of Approaches; prieiga per internetą: http://www.webservicesarchitect.com/content/articles/hanson01.asp
[6]	HL7 - standartus kuriančios organizacijos svetainė, prieiga per internetą: http://www.hl7.org/
[7]	Lurie J., Belanger R. J.: Does one Web services platform dominate the other?. 2002; prieiga per internetą: http://www.javaworld.com/javaworld/jw-03-2002/jw-0308-j2eenet.html
[8]	Objektinių duomenų bazių kūrėjų ir platintojų svetainė, prieiga per internetą: http://www.service-architecture.com/products/object-oriented_databases.html
[9]	Object Database Management Group svetainė, prieiga per internetą: http://www.odmg.org
[10]	ODBVS db4o svetainė, Prieiga per internetą: http://www.db4o.com/
[11]	ODBVS ObjectDB svetainė, prieiga per internetą: http://www.objectdb.com/
[12]	ODBVS ozone svetainė, prieiga per internetą: http://ozone-db.org/frames/home/what.html
[13]	ODBVS SOD2 svetainė, prieiga per internetą: http://www.tneumann.de/sod/index.html
[14]	ODBVS XL2 svetainė, prieiga per internetą: http://www.xl2.net/
[15]	Objektinės-reliacinės duomenų bazės GigaBASE svetainė, prieiga per internetą: http://www.garret.ru/~knizhnik/gigabase.html
[16]	Sessions R.: Java 2 Enterprise Edition (J2EE) versus The .NET Platform Two Visions for eBusiness. 2001; prieiga per internetą: http://www.objectwatch.com/FinalJ2EEandDotNet.doc
[17]	Sheil H., Monteiro M..: Rumble in the jungle: J2EE versus .Net. How do J2EE and Microsoft's .Net compare in enterprise environments?. 2002; prieiga per internetą: http://www.javaworld.com/javaworld/jw-06-2002/jw-0628-j2eevsnet_p.html
[18]	Sorli M., Romo J., Stach R., Bredehorst B.: REMOTE: GRD1-2000-25433. 2001, p. 40-42; prieiga per internetą: http://www.remote-project.org/downloads/REMOTE.D1.1-1.1--2001-07-09.pdf
[19]	Zamir S.: Handbook of object technology. CRC Press, 1999, 35skr.