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53. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie e. V. (GMDS)

Deutsche Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie

15. bis 18.09.2008, Stuttgart

Standortunabhängiger Zugang und interaktive Steuerung von gridbasierten Diensten zur medizinischen Bildverarbeitung über ein Gridportal

Meeting Abstract

  • Dagmar Krefting - Charite - Universitätsmedizin Berlin, Berlin, Deutschland
  • Michal Vossberg - Charite - Universitätsmedizin Berlin, Berlin, Deutschland
  • Kamen Beronov - Universität Erlangen, Berlin, Deutschland
  • Thomas Tolxdorff - Charite - Universitätsmedizin Berlin, Berlin, Deutschland

Deutsche Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie. 53. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie (gmds). Stuttgart, 15.-19.09.2008. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2008. DocMI16-1

Die elektronische Version dieses Artikels ist vollständig und ist verfügbar unter: http://www.egms.de/de/meetings/gmds2008/08gmds184.shtml

Veröffentlicht: 10. September 2008

© 2008 Krefting et al.
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Gliederung

Text

Einleitung und Fragestellung

Gridcomputing, der Zusammenschluss von verteilten Ressourcen zu einem virtuel-len Gesamtsystem, eignet sich insbesondere zur Lösung rechenintensiver Probleme und für das Arbeiten mit verteilten Daten. Gridcomputing wird zunehmend auch in der medizinischen Forschung eingesetzt. Dabei sind die Anwendungen oft komplex und von hoher Interaktivität geprägt, beispielsweise in der medizinischen Bild- und Signalverarbeitung. Zusätzlich ist der verteilte Datenzugriff durch die Firewall-bestimmungen von geschlossenen Kliniknetzen unter Verwendung von gridspezifi-schen Protokollen, über die im Allgemeinen die Kommunikation zu den Gridknoten stattfindet, oft nicht möglich. Deshalb bietet das MediGRID, das D-Grid Projekt für die biomedizinische Forschung, einen webbasierten Zugang über ein zentrales Grid-Portal an [1]. Auf der Grundlage dieses Portals wurden innovative Oberflächenkom-ponenten für die Anwendungen der medizinischen Bildverarbeitung in MediGRID entwickelt. Diese integrieren hochentwickelte Methoden, wie eine webbasierte 3D-Visualisierung von verteilten Bilddaten und eine Workflow-gestützte Steuerung der Gesamtanwendung und ermöglichen damit die einfache und effiziente Nutzung auch komplexer und interaktiver Anwendungen im Grid.

Material und Methoden

Das MediGRID ist eine Gridinfrastruktur, die entsprechend den Anforderungen für die biomedizinische Forschung existierende und selbstentwickelte Lösungen zur Datenspeicherung und zum -transfer, Monitoring, Scheduling und die workflowba-sierte Modellierung der Verarbeitungsprozesse zur Verfügung stellt. Die eingesetzte Middleware GTK4 verwendet asynchrone Verschlüsselungsverfahren zur sicheren Datenkommunikation und ermöglicht eine zertifikatsbasierte single-sign-on Au-thentifizierung und Authorisierung im Grid [2]. Das open source GridSphere Portal Framework bietet ein Basisportal mit generischen Gridportlets sowie Portletkom-ponenten [3]. Die Entwicklung der anwenderspezifischen Oberflächenkomponenten erfolgt in Java nach dem JSR168-Portlet Standard für portable Weboberflächen-komponenten. Die Anwendungen werden zusätzlich als virtuelle Workflows model-liert. Dies ermöglicht die automatische Orchestrierung der einzelnen Arbeitsschritte des Gesamtablaufs auf die jeweils optimal verfügbaren Ressourcen durch eine Workflow-Engine im Grid (Grid-Workflow-Execution-System GWES [4]).

Ergebnisse

Für alle drei ins MediGRID implementierten Anwendungsszenarien aus dem Be-reich der Medizinischen Bildverarbeitung (fMRI von Hirnbilddaten, Lokalisation von Prostatabiopsienadeln in transrektalen 3D-Ultraschallbildern und virtuelle Ge-fäßchirurgie auf der Basis von hämodynamischen Simulationen) sind eigene, auf die jeweilige Anwendung abgestimmte Portlets entwickelt worden. Beispielsweise wurde eine PACS-Komponente zur DICOM-basierten Kommunikation zwischen dem Grid und Standard PAC-Systemen entwickelt. Über das Portal können Bildda-ten abgefragt, ausgewählt und mithilfe eines sicheren Bildtransfers zur Weiterverar-beitung in das Grid übertragen werden (siehe Abbildung 1 [Abb. 1]).

Die Workflow-Modellierung vereinfacht dabei die Bedienung stark. So kann nach Auswahl des gewünschten Bildes, Datensatzes oder sonstiger Parameter ein automa-tischer Workflow gestartet werden. Das Portlet konkretisiert ein entsprechendes Template mit den vom Nutzer eingegebenen Daten und übergibt es an den Workflow-Manager. Der Status der gewünschten Anwendung kann jederzeit vom Nutzer über das Portal eingesehen, die Ausführung angehalten und wieder gestartet werden. Wenn zwischen den einzelnen Schritten eine Interaktion mit dem Benutzer notwendig ist (zum Beispiel die Kontrolle der Zwischenergebnisse und Eingabe von für die Weiterverarbeitung notwendiger Angaben), wird der Workflow automatisch unterbrochen, bis die notwendigen Angaben vom Nutzer erfolgt sind. Abbildung 2 [Abb. 2] zeigt dies beispielhaft für die Eingabe der Simulationsparameter bei der hämodyna-mischen Simulation. Die Schnittflächen und die dazugehörigen dynamischen Grö-ßen können eingegeben werden. Die Auswahl wird im 3D-Modell der Gefäßgeomet-rie mithilfe eines VRML-Plugins visualisiert. Ist die Auswahl beendet, wird der Workflow (dargestellt im unteren Teil des Portlets) reaktiviert und die weiteren Schritte automatisch durchgeführt.

Diskussion

Der Zugang zu medizinischen Gridanwendungen über ein Webportal vereinfacht die Nutzung auf vielfältige Weise. Durch den strikt webbasierten Zugriff kann der Zu-gang von allen Rechnern erfolgen, die einen Internetzugang haben und über einen entsprechenden Browser verfügen. Die Kopplung von Portlet und Workflowmodel-lierung ermöglicht die flexible Gestaltung zwischen notwendiger Interaktion und weitestgehender Automatisierung der Anwendung. Zur Zeit ist das Grid aufgrund von Datenschutzaspekten auf Forschungsprojekte beschränkt, die mit pseudonymi-sierten oder anonymisierten Daten arbeiten. Für klinische Anwendungen bedarf es weiterer Entwicklungen insbesondere in den Bereichen Sicherheit, Hochverfügbar-keit und Fehlertoleranz.

Danksagung

Diese Arbeit ist Teil des MediGRID Projektes des BMBF, Förderkennzeichen 01AK803A-H.


Literatur

1.
Kottha S, et al. Medical Image Processing in MediGRID. In: German E-Science Conference 2007, Baden-Baden, Germany (2007), http://www.medigrid.de Externer Link
2.
Ian Foster: Globus Toolkit Version 4: Software for Service-Oriented Systems. In: IFIP International Conference on Network and Parallel Computing, Springer-Verlag LNCS 3779, 2005
3.
Jason Novotny et al.: GridSphere: An Advanced Portal Framework. In: Proceedings of the 30th Euromicro Conference, 2004. http://www.gridsphere.org Externer Link
4.
Alt M, et al.: Using High Level Petri-Nets for Describing and Analysing Hierarchical Grid Workflows. In: Proceedings of the CoreGRID Integration Workshop 2005