Ιατρική Πληροφορική. Δρ. Π. ΑΣΒΕΣΤΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Τ.Ε. Χρήσιμοι Σύνδεσμοι

Transcript

1 Ιατρική Πληροφορική Δρ. Π. ΑΣΒΕΣΤΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Τ.Ε. Χρήσιμοι Σύνδεσμοι Διαλέξεις μαθήματος: E mail: pasv@teiath.gr 1

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Δίκτυα δεδομένων Εισαγωγικές έννοιες Δίκτυα Ethernet Μεταγωγή (switching) Δρομολόγηση (routing) Ιατρικές βάσεις δεδομένων σχεδίαση σχεσιακών βάσεων δεδομένων SQL Πρότυπα αποθήκευσης και μεταφοράς ιατρικών δεδομένων και μηνυμάτων DICOM HL7 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η Ιατρική Πληροφορική είναι η χρήση Τεχνολογιών Πληροφορικής & Επικοινωνιών (ΤΠΕ) για τη: συλλογή αποθήκευση μεταφορά επεξεργασία ανάλυση δεδομένων υγείας. 2

3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Συλλογή, μεταφορά και αποθήκευση εικόνων 5 12/10/2015 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αποθήκευση ατομικών στοιχείων και κλινικών δεδομένων 3

4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Επεξεργασία δεδομένων (τρισδιάστατή ανακατασκευή από εικόνες αξονικής τομογραφίας) ΕΙΣΑΓΩΓΗ Εικονική πραγματικότητα 4

5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Δεδομένα υγείας: ατομικά δημογραφικά (π.χ. ονοματεπώνυμο, ημερομηνία γέννησης διεύθυνση, οικογενειακή κατάσταση, ασφάλιση, κ.λπ.) κλινικά (εργαστηριακές, κλινικές εξετάσεις, φαρμακευτικές αγωγές, κ.λπ.) σήματα (π.χ. ηλεκτροκαρδιογράφημα, ηλεκτροεγκεφαλογράφημα κ.λπ.) ή εικόνες (ακτινογραφία, αξονική τομογραφία, μαγνητική τομογραφία κ.λπ.) σε ψηφιακή μορφή ΕΙΣΑΓΩΓΗ Παραδείγματα ιατρικών δεδομένων (ECG) 5

6 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Παραδείγματα ιατρικών δεδομένων (EEG) ΕΙΣΑΓΩΓΗ Παραδείγματα ιατρικών δεδομένων (X Ray) 6

7 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Παραδείγματα ιατρικών δεδομένων (CT) ΕΙΣΑΓΩΓΗ Παραδείγματα ιατρικών δεδομένων (MRI) 7

8 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Παραδείγματα ιατρικών δεδομένων (υπέρηχος) ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 8

9 Ένα δίκτυο δεδομένων επιτρέπει τη μετάδοση πληροφοριών σε συσκευές παντού στον κόσμο. Ένα δίκτυο είναιέναςσυνδυασμόςυλικού,λογισμικού, και καλωδίωσης, ο οποίος επιτρέπει την επικοινωνία πολλαπλών υπολογιστικών συσκευών Η επικοινωνία μεταξύ των συσκευών επιτυγχάνεται με τη χρήση πρωτοκόλλων, δηλ. κανόνες που καθορίζουν μία συγκεκριμένη πτυχή του τρόπου που επικοινωνούν οι διάφορες συσκευές σ ένα δίκτυο. 9

10 Τα πρωτόκολλα καθορίζουν μεταξύ άλλων: τον τρόπο μορφοποίησης των δεδομένων τη διευθυνσιοδότηση την ανίχνευση σφαλμάτων στη μετάδοση μηνυμάτων την επιβεβαίωση ορθής λήψης τον έλεγχο ροής Τα πρωτόκολλα δημιουργούνται από διεθνής οργανισμούς και επιτροπές: International Organization for Standardization ISO International Telecommunications Union ITU Institute of Electrical and Electronic Engineers IEEE Internet Engineering Task Force IETF 10

11 Υπάρχουν τρεις κατηγορίες δικτύων ανάλογα με τη γεωγραφική έκταση που εκτείνονται: τοπικά δίκτυα (Local Area Networks LANs) δίκτυα μητροπολιτικής περιοχής (Metropolitan Area Networks MANs) δίκτυα ευρείας περιοχής (Wide Area Networks WANs) Ένα τοπικό δίκτυο είναιέναιδιόκτητοδίκτυοτοοποίο περιορίζεται σε μία συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή (συνήθως ένα γραφείο, ένα κτίριο ή συγκρότημα κτιρίων). Η δημιουργία ενός τοπικού δικτύου επιτρέπει: την κοινή χρήση αρχείων και εκτυπωτών από πολλούς χρήστες, τη μεταφορά δεδομένων (π.χ. σε νοσοκομείο μεταφορά εικόνων από το ένα τμήμα στο άλλο) κ.λπ. 11

12 Παράδειγμα τοπικού δικτύου νοσοκομείου Ένα τοπικό δίκτυο περιλαμβάνει: Τερματικές συσκευές: Υπολογιστές Εκτυπωτές Tablets IP τηλέφωνα Μεταγωγείς (switches): αποτελούν κεντρικά σημεία διασύνδεσης όλων των τερματικών συσκευών Σημεία πρόσβασης (access points) Για ασύρματη διασύνδεση συσκευών Δρομολογητές (routers): συνενώνουν διαφορετικά τοπικά δίκτυα αναλαμβάνουν τη δρομολόγηση της κίνησης μέχρι τον προορισμό 12

13 Δομή τοπικού δικτύου επιχείρησης Δομή τοπικού δικτύου οικίας ή μικρού γραφείου 13

14 Ένα δίκτυο μητροπολιτικής περιοχή συνδέει δύο ή περισσότερατοπικάδίκτυαταοποίαβρίσκονταισεμία συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή, συνήθως μία πόλη. Συνήθως, ένας πάροχος τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών συνδέει δύο ή περισσότερα τοπικά δίκτυα χρησιμοποιώντας ιδιωτικές γραμμές επικοινωνίας (γραμμές χαλκού ή οπτικές ίνες) Παράδειγμα δικτύου MAN 14

15 Ένα δίκτυο ευρείας περιοχής (WAN) καλύπτει μία μεγάλη γεωγραφική περιοχή (ακόμα μία ή περισσότερες ηπείρους). Το πιο γνωστό παράδειγμα δικτύου ευρείας περιοχής είναι το Διαδίκτυο (Internet). Ένα τέτοιο δίκτυο επιτρέπει στους χρήστες να επικοινωνήσουν σε πραγματικό χρόνο με άλλους χρήστες, παροχή υπηρεσιών εξ αποστάσεως (π.χ. τηλεϊατρική) Δίκτυο WAN 15

16 Δομή δικτύου WAN ΑΘΗΝΑ ΦΡΑΝΚΦΟΥΡΤΗ ΠΑΡΙΣΙ ΛΟΝΔΙΝΟ Παράδειγμα διασύνδεσης WAN 16

17 Άλλες κατηγορίες δικτύων: WLAN (Wireless Local Area Network): ασύρματο τοπικό δίκτυο Χαρακτηριστικά IEEE g Συχνότητα λειτουργίας = 2,4GHz Ρυθμός μετάδοσης 54Mbps Εμβέλεια: 38m (σε εσωτερικούς χώρους) 140m (σε εξωτερικούς χώρους) Εκπεμπόμενη ισχύς: 100mW Άλλες κατηγορίες δικτύων: PAN (Personal Area Network): δίκτυο για επικοινωνία μεταξύ των υπολογιστικών συσκευών ενός ατόμου (PC, tablet, τηλέφωνο) Χαρακτηριστικά Bluetooth Συχνότητα λειτουργίας: 2,4GHz Ρυθμός μετάδοσης 24Mbps Εμβέλεια: 10m Εκπεμπόμενη ισχύς: 2,5mW 17

18 Άλλες κατηγορίες δικτύων: BAN (Body Area Network): ασύρματο δίκτυο αισθητήρων Χαρακτηριστικά Zigbee Συχνότητα λειτουργίας = 2,4GHz Ρυθμός μετάδοσης 250Kbps Εμβέλεια: 30m Εκπεμπόμενη ισχύς: 2,mW Ρυθμός μετάδοσης (bit rate): τοποσόπληροφορίαςπου μεταφέρεται μέσω μίας δικτυακής σύνδεσης σ ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Η βασική μονάδα μέτρησης του εύρους ζώνης είναι bits ανά δευτερόλεπτο (bps). Συνήθως το εύρος ζώνης μετριέται σε kbps ή Mbps. 18

19 Μονάδεςεύρουςζώνης Μονάδα εύρους ζώνης Συντομογραφία Ισοδύναμο Bits ανά δευτερόλεπτο bps bps = θεμελιώδης μονάδα εύρους ζώνης Kilobits ανά δευτερόλεπτο kbps kbps = 1000 bps = 10 3 bps Megabits ανά δευτερόλεπτο Mbps Mbps = bps = 10 6 bps Gigabits ανά δευτερόλεπτο Gbps Gbps = bps = 10 9 bps Το 1 kbps είναι 1000bps και όχι 1024bps. Αντίστοιχα το 1Mbps είναι kbps ή bps και όχι 1024 kbps ή = bps Εύρος ζώνης συνδέσεων Σύνδεση Ονομαστικός ρυθμός Παρατηρήσεις μετάδοσης( * ) (Μbps) Fast Ethernet 100 Ενσύρματη διασύνδεση PC σε τοπικό δίκτυο με καλώδια χαλκού. Μέγιστη απόσταση 100m. Gigabit Ethernet Ενσύρματη διασύνδεση PC σε τοπικό δίκτυο με καλώδια χαλκού (μέγιστη απόσταση 100m) ή οπτικές ίνες (μέγιστη απόσταση 70km) 10 Gigabit Ethernet Ενσύρματη διασύνδεση PC σε τοπικό δίκτυο με καλώδια χαλκού (μέγιστη απόσταση 15m) ή οπτικές ίνες (μέγιστη απόσταση 80km) Wi Fi (ΙΕΕΕ ad) 4G (LTE) 4G (LTE Enhanced) Ασύρματο δίκτυο με εμβέλεια 60m για εσωτερικούς χώρους και 100m για εξωτερικούς χώρους Μετάδοση δεδομένων με χρήση του δικτύου κινητής τηλεφωνίας ADSL2+ 24 Ευρεία σύνδεση (WAN) με χρήση υφιστάμενου τηλεφωνικού δικτύου * Σπάνια επιτυγχάνεται ο ονομαστικός ρυθμός μετάδοσης. Ο πραγματικός ρυθμός μετάδοσης είναι μικρότερος 19

20 Χρόνος μετάδοσης Τ Μέγεθος δεδομένων Ρυθμός μετάδοσης Παράδειγμα Μία εξέταση αξονικής τομογραφίας (CT) εγκεφάλου αποτελείται από 100 εικόνες μεγέθους εικονοστοιχεία (pixels) η κάθε μία. Χρησιμοποιούνται 12bits ανά εικονοστοιχείο για την αναπαράσταση του χρώματος. Αν η μετάδοση γίνεται μέσω δικτύου Fast Ethernet, να υπολογιστεί πόσος χρόνος απαιτείται για τη μετάδοση της εξέτασης από υπολογιστή σε υπολογιστή. Λύση Για κάθε εικονοστοιχείο χρησιμοποιούνται 12bits για την αναπαράσταση του χρώματός του. Όμως, η μονάδα μέτρησης μεγέθους δεδομένων σε υπολογιστή είναι το byte (8 bits). Συνεπώς, για κάθε εικονοστοιχείο θα χρειαστούν τελικά 16 bits που αντιστοιχούν σε 2 bytes. 20

21 Παράδειγμα (συνέχεια) Μία εξέταση αξονικής τομογραφίας (CT) εγκεφάλου αποτελείται από 100 εικόνες μεγέθους εικονοστοιχεία (pixels) η κάθε μία. Χρησιμοποιούνται 12bits ανά εικονοστοιχείο για την αναπαράσταση του χρώματος. Αν η μετάδοση γίνεται μέσω δικτύου Fast Ethernet, να υπολογιστεί πόσος χρόνος απαιτείται για τη μετάδοση της εξέτασης από υπολογιστή σε υπολογιστή. Λύση Το συνολικό μέγεθος της εξέτασης είναι: Επειδή χρησιμοποιείται δίκτυο Fast Ethernet, ο ρυθμός μετάδοσης είναι 100Mbps. Άρα ο χρόνος μετάδοσης είναι: ,19 / Παράδειγμα (συνέχεια) Μία εξέταση αξονικής τομογραφίας (CT) εγκεφάλου αποτελείται από 100 εικόνες μεγέθους εικονοστοιχεία (pixels) η κάθε μία. Χρησιμοποιούνται 12bits ανά εικονοστοιχείο για την αναπαράσταση του χρώματος. Αν η μετάδοση γίνεται μέσω δικτύου Fast Ethernet, να υπολογιστεί πόσος χρόνος απαιτείται για τη μετάδοση της εξέτασης από υπολογιστή σε υπολογιστή. Λύση Στον προηγούμενο υπολογισμό, θεωρήθηκε ότι η μετάδοση γίνεται με τον μέγιστο ρυθμό μετάδοσης που επιτρέπει η σύνδεση (100Mbps). Στην πράξη όμως, αυτός ο ρυθμός μετάδοσης δεν επιτυγχάνεται, αλλά είναι περίπου 40% μικρότερος. Επίσης κατά τη μετάδοσης των δεδομένων εισάγεται επιπλέον πληροφορία (π.χ. διεύθυνση IP, διεύθυνση MAC, κώδικες ελέγχου σφαλμάτων), η οποία αυξάνει το μέγεθος των προς μετάδοση δεδομένων. 21

22 Συνήθως η επικοινωνία δύο υπολογιστών βασίζεται στο μοντέλο πελάτη/διακομιστή (client/server). Ο διακομιστής είναι ένας υπολογιστής υψηλών δυνατοτήτων εφοδιασμένος με κατάλληλο λογισμικό. Σκοπός του είναι να παρέχει κάποια υπηρεσία στους υπολογιστές (πελάτες) που συνδέονται μαζί του. Παράδειγμα υπηρεσιών: διαχείριση ιστοσελίδων (web server) διαχείριση εφαρμογών (application server) διαχείριση βάσης δεδομένων (database server) διαχείριση ηλεκτρονικής αλληλογραφίας ( server) διαχείριση αρχείων (file (FTP) server) διαχείριση ιατρικών εικόνων (DICOM server) Κάθε μία από τις υπηρεσίες που παρέχει ένας διακομιστής εξυπηρετείται από διαφορετικό λογισμικό. Παραδείγματα τέτοιων λογισμικών είναι: Apache HTTP Server, Microsoft Internet Information Services: λογισμικά για διακομιστή ιστοσελίδων (web server). MySQL, Oracle, Microsoft SQL Server: λογισμικά για διακομιστή βάσης δεδομένων (database servers) FileZilla: λογισμικό για διακομιστή αρχείων (FTP server) Mercury: λογισμικό για διακομιστή αλληλογραφίας (Mail server) 22

23 Για παράδειγμα, για την εμφάνιση της ιστοσελίδας με URL σε έναν υπολογιστή (πελάτη) η διαδικασία έχει ως εξής: Το είναι το μνημονικό όνομα του διακομιστή που περιέχει την ιστοσελίδα. Ο υπολογιστή πελάτης αποστέλλει ένα αίτημα (request) τύπου HTML (μέσω του προγράμματος περιήγησης) στον διακομιστή, ζητώντας από αυτόν το αρχείο με όνομα index.html που βρίσκεται στον φάκελο app1. Ο διακομιστής υποδέχεται το αίτημα και χρησιμοποιεί κατάλληλο λογισμικό για να το επεξεργαστεί. Αφού το αίτημα γίνει αποδεκτό, αποστέλλεται το αρχείο index.html. Ο υπολογιστής πελάτης λαμβάνει το αρχείο index.html και το εμφανίζει στο πρόγραμμα περιήγησης. Αρκετά συχνά, ένας και μόνο υπολογιστής μπορεί να χρησιμοποιείται ως διακομιστής πολλαπλών υπηρεσιών (π.χ. ιστοσελίδων, βάσης δεδομένων, ηλεκτρονικής αλληλογραφίας). Καθώς κάθε μία από τις υπηρεσίες αυτές εξυπηρετείται από διαφορετικό λογισμικό, είναι αναγκαίο ο διακομιστής να «καταλαβαίνει» ποιο λογισμικό να χρησιμοποιήσει για να εξυπηρετήσει ένα εισερχόμενο αίτημα. 23

24 Για τον σκοπό αυτόν, σε κάθε εφαρμογή αντιστοιχίζεται ένας ακέραιος αριθμός μεταξύ 0 και , ο οποίος ονομάζεται αριθμός θύρας (port number). Ο επόμενος πίνακας παρουσιάζει τους προκαθορισμένους αριθμούς θύρας για τις συνηθισμένες υπηρεσίες ενός διακομιστή. Υπηρεσία Αριθμός θύρας Διαχείριση ιστοσελίδων 80 Διαχείριση βάσης δεδομένων MySQL Διαχείριση βάσης δεδομένων Microsoft SQL Server Διαχείριση αρχείων 21 Διαχείριση αλληλογραφίας 25 Επομένως, όταν ένας υπολογιστής πελάτης αποστέλλει ένααίτημαγιαμίαυπηρεσία,«επισυνάπτει»στοαίτημα τον κατάλληλο αριθμό θύρας. Ο διακομιστής που θα παραλάβει το αίτημα, αφού ελέγξει τον αριθμό θύρας θα το προωθήσει στην κατάλληλη εφαρμογή. 24