Особливостi застосування грiд-технологiї в медицинi
У статті проаналізовано деякі питання застосування грід-технологій у медицині. Їхню суть викладено як спосіб побудови середовища для колективних обчислень, що дозволяє використати при розв’язанні багатьох завдань безпрецедентно великі, географічно розподілені обчислювальні ресурси. Відзначено, що в...
Saved in:
| Date: | 2008 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3418 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Особливостi застосування грiд-технологiї в медицинi / В.I. Авраменко, А.Г. Загороднiй, Є.С. Мартинов // Вісн. НАН України. — 2008. — № 10. — С. 5-15. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859739516484452352 |
|---|---|
| author | Загородній, А.Г. Мартинов, Є.С. Авраменко, В.I. |
| author_facet | Загородній, А.Г. Мартинов, Є.С. Авраменко, В.I. |
| citation_txt | Особливостi застосування грiд-технологiї в медицинi / В.I. Авраменко, А.Г. Загороднiй, Є.С. Мартинов // Вісн. НАН України. — 2008. — № 10. — С. 5-15. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| description | У статті проаналізовано деякі питання застосування грід-технологій у медицині. Їхню суть викладено як спосіб побудови середовища для колективних обчислень, що дозволяє використати при розв’язанні
багатьох завдань безпрецедентно великі, географічно розподілені обчислювальні ресурси. Відзначено, що в НАН України грід-технології вже існують і розвиваються. Детально обговорено специфіку роботи з медичною інформацією та аргументовано необхідність застосування грід-обчислень у медичній практиці. Наведено приклади того, що зроблено в цьому напрямі у світі, підкреслено високу потенційну ефективність і перспективи грід-технологій для медицини.
Some problems of grid-technology pplications in medi cine are analyzed in the article. A matter of gridtech nology as a method to create common computing environment, which allows involving extra powerful eographically
distributed computing resources for solving
many tasks, is described. It is noted that grid-technologies in NAS of Ukraine already exist and are developed. The special features of medical grid-applications are
discussed in details, the necessity of grid computations application in medical practical activity is substantiated.
The examples of the medical applications in the world are given, high potential efficiency and prospects of gridtechnologies
for medicine is emphasized.
|
| first_indexed | 2025-12-01T16:04:30Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2008, № 10 5
СТАТТI ТА ОГЛЯДИ
В. АВРАМЕНКО, А. ЗАГОРОДНІЙ, Є. МАРТИНОВ
ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ГРІД-ТЕХНОЛОГІЇ В МЕДИЦИНІ
Формування структур інформаційного
суспільства є сьогодні одним із прі-
оритетів нашої держави. Широке засто-
сування новітніх технологій у всіх сфе-
рах життєдіяльності суспільства, особливо
в медицині, потребує залучення потужних
комп’ютерних і обчислювальних ресурсів, у
тому числі у сфері збереження та оброблен-
ня експериментальних даних. Це питан-
ня відразу постало після прийняття в 1999
Світові інформаційні ресурси відкривають перед Україною широкі можли-
вості щодо розвитку новітніх технологій, зокрема, в медицині. Сьогодні ін-
тенсивно збільшується національний сегмент комп’ютерної мережі та ме-
режі Інтернет, який залучають до комп’ютерних ресурсів багатьох
вітчизняних наукових центрів і лабораторій, утворюючи єдину обчислю-
вальну мережу даних. Саме про таку сучасну комп’ютерну технологію в га-
лузі медицини — грід-технологію — йдеться в запропонованій публікації. Її
автори визначають суть грід-технологій як спосіб побудови середовища для
колективних обчислень, що дозволяє використати під час розв’язання бага-
тьох завдань безпрецедентно великі, географічно розподілені обчислювальні
ресурси. Нині цю перспективну комп’ютерну технологію успішно запрова-
джують в установах НАН України. Однак іще більшої уваги та зусиль по-
требує її впровадження в медичну практику. Автори публікації доводять ви-
соку ефективність і перспективи грід-технології для вітчизняної науки,
медицини, охорони здоров’я.
році рішення про спорудження в ЦЕРНі
прискорювача частинок на зустрічних пуч-
ках LHC (Large Hadron Collider — великий
адронний колайдер). Сподіваємося, що вже
восени 2008 року великий адронний колай-
дер буде введено в дію. Обсяг даних, отри-
муваних щорічно під час експериментів на
цьому найпотужнішому в світі прискорю-
вачі, вражає. Це приблизно 15–20 мільйо-
нів терабайтів. Для порівняння: зазначений
© ЗАГОРОДНІЙ Анатолій Глібович. Академік НАН України. Директор Інституту теоретичної фі-
зики ім. М.М. Боголюбова НАН України.
МАРТИНОВ Євген Сергійович. Доктор фізико-математичних наук. Завідувач лабораторії цього
інституту.
АВРАМЕНКО Володимир Іванович. Кандидат фізико-математичних наук. Провідний науковий
співробітник НПЦ «Дитяча кардіологія і кардіохірургія» (Київ). 2008.
6 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2008, № 10
річний обсяг даних відповідає 20 мільйо-
нам стандартних компакт-дисків. Для опра-
цювання такого надвеликого масиву даних
запропоновано об’єднати комп’ютерні ре-
сурси багатьох фізичних центрів і лабо-
раторій у єдину обчислювальну мережу.
Така мережа отримала назву «грід» (Grid),
що в дослівному перекладі з англійської
означає «ґрати», «сітка» [1–3]. Під грід-
технологіями, відповідно до класичного ви-
значення, розуміють середовище колектив-
ного комп’ютингу, яке власники передають
у спільне користування. Обчислювальні ре-
сурси можуть складатися з багатьох обчис-
лювальних потужностей, архівів, баз даних
та швидкісних каналів зв’язку. Наскрізне
програмне забезпечення (отримало назву
middleware) переформатовує це середови-
ще в єдиний операційний простір. Заува-
жимо, що існують різні пакети middleware,
наприклад NorduGrid або gLite. У європей-
ських країнах як стандартне грідівське про-
грамне забезпечення запропоновано вико-
ристовувати gLite.
Фактично за допомогою грід-технологій
віртуально утворюється потужний супер-
ком п’ютер. Швидкість обчислень й ефек-
тивність використання ресурсів віртуаль-
ного комп’ютера зростає завдяки тому, що
багато обчислювальних завдань можна
розпаралелити, тобто виконувати одночас-
но на великій кількості процесорів. Крім
того, відомо, що комп’ютери протягом
доби більшу частину часу не працюють і в
середньому завантажені на 5–10 відсотків.
Ця проблема оптимального використання
ком п’ю терних ресурсів актуальна також
для великих обчислювальних центрів. Такі
ресурси можна інтегрувати в грід-се ре-
довище й використовувати більш ефек-
тивно, адже запропонована технологія ба-
зується на наявних високошвидкісних ка-
налах зв’язку, що об’єднують просторово
віддалені ком п’ю тери. Будь-яка грід-ін-
фра структура має три складники: 1) об-
числювальні ресурси, або грід-кластери;
2) спеціальне програмне забезпечення (mid-
dleware), яке керує всією ін фра струк ту-
рою; 3) швидкісні канали зв’яз ку між об-
числювальними кластерами.
Грід-технології відразу ж знайшли широ-
ке застосування в науці, медицині, освіті,
бізнесі. За темпами розвитку грід-технології
в останнє десятиріччя значно випереджа-
ють Інтернет. Одночасно вони дозволяють
доповнити Всесвітню мережу можливостя-
ми доступу до обчислювальних ресурсів і
створюють систему, яку умовно називають
обчислювальним Інтернетом, хоча слід за-
уважити, що грід-технології — це не тільки
обчислення. З’явився навіть новий термін
«World Wide Grid — WWG», і в цьому сенсі
грід-технології розглядають як еволюційне
продовження Інтернету.
В Україні перший грід-кластер створи-
ла група фізиків із ННЦ «Харківський
фізико-технічний інститут» у 2002 році. У
2004–2005 роках фахівці Інституту теоре-
тичної фізики ім. М.М. Боголюбова спільно
зі співробітниками обчислювального цен-
тру Київського національного університету
ім. Тараса Шевченка побудували потужний
грід-вузол, який сертифіковано в AliEn-grid
у ЦЕРНі. Ресурси цього грід-вузла внесені
до проекту інформаційно-обчислювального
забезпечення експериментів на прискорю-
вачі протонів та ядер LHC. У межах вико-
нання академічної програми впроваджен-
ня грід-технологій протягом 2005–2007 ро-
ків грід-кластери та грід-платформи досту-
пу створені в 20 наукових закладах НАН
України. Загалом комп’ютерні ресурси на-
укових установ академії становлять більше
ніж 1200 процесорів і 120 терабайтів дис-
кового простору. Детальнішу інформацію
про грід-технології та їхній стан у НАН
України можна почерпнути на веб-сайті
Українського Академічного Гріду — http://
uag.bitp.kiev.ua [4]. Здійснено перші кроки
для застосування грід-технологій у медич-
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2008, № 10 7
ній теорії і практиці, зокрема Інститут тео-
ретичної фізики надає свої обчислювальні
ресурси НПЦ «Дитячої кардіології і карді-
охірургії» та НПЦ «Променевої діагности-
ки» для експериментального застосування
грід-технологій у зберіганні та обробленні
медичної інформації.
Формування академічної телекомуніка-
ційної мережі, яка об’єднує грід-кластери
НАН України і яку обслуговує науково-
телекомунікаційний центр УАРНЕТ, прохо-
дить у кілька етапів. Протягом 2004–2006
років прокладено оптично-волоконну лінію
завдовжки 1300 км Харків–Суми–Київ–
Вінниця-Хмельницький–Тернопіль–Львів,
яка приєднується до мережі РІОNIER на
кордоні з Польщею. На наступному етапі
заплановано побудову магістральних кана-
лів від Києва до великих регіональних цен-
трів за кільцевою технологією. Технічно
найефективнішим і дешевим рішенням є
використання так званої лямбда-технології
для наявних магістральних ліній. Це дозво-
лить швидко об’єднати регіональні центри
лініями зі швидкостями передавання ін-
формації вище за 2.5 Гбіт/с. Як телекому-
нікаційну платформу для грід-проектів до-
цільно також використовувати науково-
освітню мережу (Science & Education Net-
works) та підключитися до європейської
мережі GEANT (Pan-European Backbone),
що обслуговує наукові організації в 30 єв-
ропейських країнах.
Зрозуміло, що робота з медичною ін-
формацією має свої особливості. Історич-
но пер шим прикладом упровадження
грід-технологій для інформаційного су-
проводу медичних досліджень був проект
MAMMOGRID (дослідження раку молоч-
ної залози — http://mammogrid.vitamib.com)
[5]. Його розпочато у 2002 році для архіву-
вання досліджень молочної залози на базі
двох британських і одного італійського гос-
піталю. Нині грід-мережею заплановано
охопити основні клініки в Європі, де про-
водять мамологічні обстеження жінок, і
надати доступ науковцям до даних цих об-
стежень. Такий аналіз може вивести наші
знання на якісно новий рівень розуміння
розвитку хвороби та підвищити достовір-
ність обстежень на ранніх стадіях захво-
рювання.
Відділ електронної медицини при Євро-
пейській комісії визначив кілька причин,
які стимулюють упровадження грід-тех но-
логій:
• поліпшення якості обслуговування за-
вдяки швидкій діагностиці, своєчасному
лікуванню та мінімізації медичних поми-
лок;
• зниження собівартості проведення діа-
гностичних обстежень;
• зниження вартості лікування завдяки
ранньому виявленню патологій і вибору
оптимальної стратегії лікування.
Сьогодні розробляють широкомасштабні
світові та європейські грід-проекти, зокре-
ма азійський проект Medical Grid (http://
staff.aist.go.jp/epifanio.bagarinao/medgrid/)
створюють як грід-інфраструктуру, що
об’єднає розподілені і зв’язані грід-ме-
режею бази медичних даних, системи візу-
алізації для аналізу медичних зображень.
Мета проекту Health-e-Child (www.health-
e-child.org) — створення грід-ін фра струк-
ту ри для європейської педіатрії. Є й інші
проекти, багато з них уже працюють або ж
перебувають у процесі тестування, деякі ще
на стадії розроблення.
Застосування сучасних інформаційних
технологій у сфері охорони здоров’я має
свої особливості через специфіку та спря-
мованість закладів на надання медичної
допомоги, проведення діагностики, кон-
сультацій, у тому числі телемедичних, біо-
медичного моделювання, пошуку нових
ліків, медичного приладобудування. Це
коло робіт, залежно від способу застосу-
вання інформаційних технологій, можна
розділити на дві групи: 1) для збережен-
8 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2008, № 10
ня, оброблення, аналізу та архівування ме-
дичних даних, що притаманно практичній
медицині; 2) для моделювання з викорис-
танням обчислювальних потужностей у
медичних дослідженнях.
Зрозуміло, є комплекс взаємопов’язаних
завдань практичної медицини, вирішен-
ня яких стало можливим завдяки викорис-
танню інформаційних технологій: електро-
нна картка пацієнта, медична інформаційна
система, оброблення, архівування інформа-
ції та баз даних (PACS — Patient Archiving
and Communication Systems та GMAS —
Grid Medical Archive Solution), телемеди-
цина [6–8].
Ще одним важливим сектором медици-
ни, де використовують переважно обчис-
лювальні потужності грід-технологій, є
медичні дослідження геному людини, з по-
шуку нових ліків, моделювання біомедич-
них систем. Застосування грід-технологій
у медичних дослідженнях залежить зна-
чною мірою від наявності комп’ютерних
ресурсів, можливостей роботи з великими
базами даних та розв’язування надсклад-
них завдань. Яскравим прикладом ефек-
тивності грід-технологій є дослідження ві-
русу пташиного грипу H5N1, яке викону-
вали в проекті WISDOM (http://wisdom.
eu-egee.fr/avianflu) у 2006 році в 17-и краї-
нах. Завдання, що потребувало 82-х років
обчислень на одному персональному
комп’ютері, вирішили за допомогою грід-
технологій та 1700 комп’ютерів упродовж
чотирьох тижнів. Ще одним напрямом за-
стосування грід-технологій є моделюван-
ня «віртуальної» людини. Біомедичні мо-
делі мають багато внутрішніх взає мо зв’яз-
ків, їхня еволюція пов’язана з перебігом
складних фізичних і хімічних процесів,
тому для моделювання таких систем необ-
хідні великі обчислювальні ресурси та ін-
тенсивні обрахунки. Моделювання «вірту-
альної» людини можна здійснити тільки
при наявності дуже великих обчислюваль-
них ресурсів.
Сьогодні в медицині склалися в цілому
сприятливі умови для впровадження ін-
формаційних технологій. Але медичні ін-
формаційні системи в цій галузі використо-
вують фрагментарно, парк обчислювальної
техніки застарілий, персонал має порівня-
но слабкі навички роботи з комп’ютерами,
робота з медичними базами даних потребує
оптимізації. Особливості введення медич-
ної інформації полягають ще й у тому, що
записи до медичних карток можуть вно-
сити зі значними перервами, пацієнти змі-
нюють місця проживання, користуються
послугами різних клінік, дані потребують
тривалого зберігання й мають конфіден-
ційний характер.
Такий загальний стан у медичній галузі
стимулює впровадження новітніх інформа-
ційних технологій. Очікується, що протя-
гом наступних трьох років сукупні витрати
на застосування сучасних інформаційних
технологій у медицині зростуть з 1 до 5 від-
сотків, а обіг коштів у цьому секторі меди-
цини — з $22 до $348 млрд [9]. За прогно-
зами експертів, електронна медицина стає
за обігом коштів третім сектором охорони
здоров’я після фармацевтичної промисло-
вості та виробництва медичного діагнос-
тичного обладнання.
Ще раз зазначимо, що обсяги медич-
ної інформації величезні. Щороку тіль-
ки в Європі завдяки проведенню радіо-
логічних обстежень у медичних центрах
може накопичуватися кілька сотень Пбайт
(1Пбайт=1000000 Гбайтів) оцифрованої ін-
формації. Для збереження таких обсягів ін-
формації необхідні величезні ресурси. Крім
цього, архівування та збереження потребу-
ють також відеоматеріали, фотографії, за-
писи біосигналів, текстові дані й інша до-
кументація про пацієнтів. До того ж ме-
дичну допомогу надають у різних за спе-
ціалізацією медичних закладах: лікарнях,
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2008, № 10 9
пунктах швидкої та травматологічної до-
помоги, поліклініках, реабілітаційних цен-
трах, санаторіях тощо. У кожному з таких
закладів можуть бути свої форми запису
медичної інформації. Інколи використову-
ють несумісні формати і стандарти подан-
ня. Медична інформація неконсолідована,
не переходить за пацієнтом із клініки в клі-
ніку. Ще одна особливість полягає в тому,
що навіть при виконанні стандартних про-
токолів досліджень не завжди можна бути
впевненим у тому, що повторні обстеження
на іншому обладнанні, з іншим рівнем на-
лаштування та обслуговування діагностич-
них систем, іншим досвідом та навичками
роботи персоналу приведуть до ідентичних
результатів.
Роботи щодо збереження, аналізу та об-
роблення медичної інформації навіть в од-
нотипних клініках та лікарнях перебува-
ють на різних стадіях упровадження інфор-
маційних технологій. Одне з головних за-
вдань інформатизації медичних закладів
полягає в розробленні зручної медичної ін-
формаційної системи та електронної карт-
ки пацієнта. У західноєвропейських та аме-
риканських клініках широкозастосовані лі-
карняні медичні інформаційні системи для
супроводу стаціонарних хворих. Інформа-
ційні технології використовують значною
мірою в лабораторіях та під час радіологіч-
ної діагностики, частково під час надання
первинної допомоги.
У розвинених країнах, як черговий етап
інформатизації медичної галузі, першоряд-
ними є питання застосування грід-тех но-
логій, але в Україні загальна ситуація суттє-
во відмінна — зроблено лише перші кроки
щодо інформатизації медицини. В Україні
впровадження інформаційних технологій
відбувається переважно стихійно та хао-
тично. У деяких місцях інформаційні сис-
теми все-таки впроваджені, але це відбува-
ється локально й переважно спрямоване на
вирішення якогось конкретного питання.
На загальнодержавному рівні уніфікова-
ні варіанти медичної інформаційної систе-
ми та стандартизована електронна картка
пацієнта відсутні. Якщо відійти від досить
сумного сьогодення й помріяти, то мож-
на уявити в Україні таку інформаційно-
медичну систему охорони здоров’я. Від
першого дня життя кожна людина отри-
мує медичну електронну картку (медичний
паспорт), а її електронна копія зберігається
в поліклініці, що обслуговує людину, та в
державній базі даних. Після кожного візи-
ту до будь-якого лікаря в ній фіксують нові
дані про стан здоров’я людини. Аналогіч-
ні зміни вносять і до персональної картки.
Вона містить повну інформацію про персо-
нальний геном людини, детальні результа-
ти всіх, навіть поверхових, медичних обсте-
жень пацієнта, дані про можливі відхилен-
ня від норми або патології, рекомендації
щодо лікування того чи іншого захворю-
вання. Таким чином, незалежно від ситуа-
ції та від лікарського закладу, куди за допо-
могою звернулася людина, лікар протягом
декількох хвилин отримує (з картки, або
з бази даних) повну медичну інформацію
про стан здоров’я пацієнта і може швидко
прийняти необхідне рішення. За допомо-
гою Інтернету він може в разі потреби тер-
міново встановити контакт із поліклінікою,
до якої пацієнт належить. Лікар, що пра-
цює на швидкій допомозі, завжди має при
собі комп’ютер-ноутбук, на якому може
прочитати електронний медичний паспорт
пацієнта і за необхідності отримати потріб-
ну інформацію з бази медичних даних.
Отже, електронна картка має супрово-
джувати людину протягом усього життя,
містити інформацію про надану медичну
допомогу, проведені лабораторно-діаг но-
стич ні обстеження та «крокувати» за паці-
єнтом із клініки в клініку. Особливу увагу
при цьому звертають на конфіденційність
інформації. Для гарантування конфіден-
ційності дані мають бути в закодованій
10 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2008, № 10
формі, а доступ до системи — авторизова-
ним та автентифікованим. Архівування ме-
дичних даних чітко регламентоване євро-
пейськими та національними законами, де-
які правові норми діють сьогодні і в Украї-
ні. Режим обмеженого доступу стосується
всіх персональних даних про пацієнта або
будь-якої їхньої частини, за якою особу
можна безпосередньо ідентифікувати. Осо-
бливість медичної інформації полягає ще й
у тому, що її несанкціоноване витікання
може завдати суттєвої шкоди.
Одночасно необхідно забезпечити санк-
ціонований доступ до інформації про кон-
кретного пацієнта з будь-якого місця,
оскільки медична допомога може знадоби-
тися в будь-який час. Проте значна частина
медичної інформації сьогодні ще електрон-
но не оброблена, не має цифрового форма-
ту запису. Наприклад, основні показники
стану організму, характеристики сприйнят-
тя, лабораторні аналізи хоча й записують
у цифровому форматі, але вони майже не-
доступні для подальшого оброблення. Об-
слуговування електронних карток пацієн-
тів потребує значних ресурсів для зберіган-
ня та оброблення медичних даних. З метою
мінімізації витрат на утримання інформа-
ційних систем щораз більше зростатиме
потреба в послугах комп’ютингу. Нагаль-
но постане питання стандартизації при пе-
редаванні інформаційних потоків, комута-
ції обладнання та прийнятті спільного для
медичних даних цифрового формату. Ство-
рення єдиної медичної інфраструктури об-
числювальних ресурсів і баз даних приведе
до формування нових послуг, в основі яких
буде дистанційний компонент: діагности-
ка, оброблення медичних зображень, дослі-
дження основних показників стану орга-
нізму, оцінення клінічних результатів паці-
єнта, аналіз і оброблення великих масивів
інформації. Однак багато лікарень неохоче
йде на передавання інформації за межі за-
кладів. Стимул з’явиться, коли буде забез-
печено такий режим доступу до інформа-
ційних ресурсів, який надасть можливість
працювати з медичними базами даних у ре-
жимі загального доступу.
Зауважимо, що медична інформаційна
система має бути достатньо гнучкою для
налаштування програмного забезпечення
під вимоги конкретного лікувального за-
кладу відповідно до специфіки його робо-
ти та спеціалізації. Програмний продукт
має бути достатньо простим у використан-
ні, із сумісним інтерфейсом і типовим ві-
дображенням даних, з уніфікованою сис-
темою навігації, інтегральним характером
побудови та модульною структурою про-
грамного алгоритму. Залежно від конфігу-
рації системи необхідно, щоб модулі були
достатньо автономні й працювали як у
складі всього програмного комплексу, так
і окремо. Інтегральний характер системи
має передбачати можливість її розширен-
ня без радикальної зміни програмного ал-
горитму, доповнення окремих вузлів і без
порушення цілісності даних та працездат-
ності системи, модернізації, заміни та ви-
лучення апаратних ресурсів або застаріло-
го обладнання. Такий підхід до формуван-
ня інформаційних систем особливо акту-
альний для медицини, оскільки медична
інформація має зберігатися десятиліття-
ми, тобто набагато довше від самих носіїв
інформації.
У практичній медицині впровадження
грід-технологій дає змогу сформувати про-
грамне середовище, сумісне з різними роз-
робками РАCS-систем для архівування та
збереження інформації, засобами зберіган-
ня даних на носіях різних виробників і на
різних серверах. Проте сьогодні існує ряд
обмежень щодо застосування PACS-систем,
які пов’язані з відсутністю відкритих стан-
дартів для комутації різних PACS. Навіть
у європейських та американських клініках
управління даними здійснюють переважно
всередині однієї установи (один госпіталь
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2008, № 10 11
або асоціація госпіталів) без виходу на на-
ціональний або міжнародний рівень.
Минулого року на основі грід-технологій
розв’язання проблеми комутації різних
PACS-систем запропонували компанії IBM
та Bycast (www.bycast.com). Система отри-
мала назву Grid Medical Archive Solution
(GMAS). У ній відокремлено інфраструк-
туру для зберігання та архівування даних
(PACS-система) від самих баз даних. На
під ставі нових інформаційних рішень лі-
карні через свої комутаційні мережі зв’язку
та PACS-системи отримали можливість
звертатися до розподілених баз інформації,
спільного використання ресурсів зберіган-
ня, а також оптимізації рівня завантаження
обладнання, підвищення швидкості та на-
дійності доставки інформації, спрощення
схем управління й зменшення сукупних
витрат на зберігання інформації. Відсут-
ність жорсткої прив’язки баз даних до носі-
їв зберігання інформації та обладнання, а
також диференційований інтелектуальний
режим доступу до баз даних радикально
знижують сукупну вартість підтримки ін-
формаційних ресурсів.
Формування баз даних медичних дослі-
джень відразу ж ставить питання про ра-
ціональне використання інформації. Для
цього недостатньо механічно об’єднати
розподілені бази даних. До того ж не вся
інформація в цих базах сумісна не тільки
за форматом, але й через відмінність у про-
цедурах, медичному обладнанні, людський
фактор. Інформаційні системи мають бути
налаштовані на роботу з базами даних для
раннього розпізнавання хвороб, визначення
груп ризику населення, пошук нових ліків.
Результатом упровадження GMAS-систем
є вихід на якісно вищий рівень діагностики
та лікування пацієнтів, що закладає основи
створення інформаційної медицини. Елек-
тронне оброблення інформації відкриває
нові можливості для надання якісної ме-
дичної допомоги, забезпечує більший до-
ступ населення до сучасних медичних по-
слуг за умов обмеженого бюджету.
Значний поштовх щодо впровадження
грід-технологій отримала телемедицина.
Перші спроби використання каналів зв’яз-
ку для надання медичної допомоги відбу-
лися ще на початку ХХ століття в Швеції
для передавання електрокардіограм по те-
лефонних лініях. У 60-70 роках у СРСР в
Інституті хірургії ім. О. Вишневського про-
водили перші клінічні випробування пере-
давання по телефону медичних даних для
дистанційної діагностики вроджених вад
серця та інших захворювань. Першою краї-
ною, де широко використовували можли-
вості телемедицини, стала Норвегія, яка
має велику кількість важкодоступних місць
для надання медичної допомоги. Другий
проект упроваджено у Франції для моряків
цивільного та військового флотів. Сьогодні
в Європі вже важко назвати країну, де б те-
лемедицину не впроваджували тією чи ін-
шою мірою. Особливого розвитку вона на-
була в США, Канаді та Росії. Нині у світі
відомо більше як 250 телемедичних проек-
тів. Роль телемедицини зростає ще й тому,
що кожен пацієнт має право знати іншу
думку, отримати консультацію інших спе-
ціалістів. З упровадженням грід-технологій
можливості телемедицини значно розши-
рюються. За допомогою засобів інформа-
ційних технологій можна зафіксувати будь-
яке зображення, підготувати його для пере-
давання на будь-яку відстань у режимі ре-
ального часу або в межах розумного часового
інтервалу та розшифрувати для обговорен-
ня майже без втрати якості. Ці досягнення
в телемедицині зумовлені тим, що на зміну
аналоговому телебаченню прийшли циф-
рові канали зв’язку. Стало можливим у ре-
жимі реального часу проводити дистанцій-
ні обстеження, медичні консультації, кон-
силіуми й одночасно передавати електро-
нну історію хвороби разом із лабораторною
та діагностичною інформацією, фотографі-
12 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2008, № 10
ями, знімками тощо. Традиційним напря-
мом для застосування телемедицини за-
лишає ться проведення консиліумів, дис-
танційного навчання, конференцій, нарад.
Прикладом поєднання засобів телекомуні-
кацій із медичною практикою є створення
віртуальних госпіталів. У проекті вір ту аль-
ного Європейсько-Серед зем но мор ського гос-
піталю (Virtual Euro-Me di ter ra ne an Hos pi tal,
www.emispher.org/) запропоновано об’єд на-
ти клініки 5 європейських (Палермо, Афі-
ни, Клермонт, Берлін, Париж) та 5 серед-
земноморських міст (Касаблан ка, Алжир,
Туніс, Каїр, Нікосія) каналами швид кісного
волоконнооптичного зв’язку для проведен-
ня телемедичних конференцій, діагности-
ки, консультацій, дистанційного навчання.
При цьому висловлено пропозицію поряд
із відеосигналом передавати діагностичні
обстеження та їх результати.
Сьогодні грід-технології впроваджують у
медичні дослідження в усьому світі. Мож-
на навести кілька віртуальних організацій,
які виступають координаторами таких до-
сліджень: Global Grid Forum (http://www.
ggf.org), Grid Globus Alliance (http://www.
globus.org), Foldіng@Home (http://folding.
stanford.edu). Проект World Community
Grid (http://www.worldcommunitygrid.org)
використовує вільні обчислювальні ресур-
си персональних комп’ютерів з усього сві-
ту й ставить за мету створити з цих ресур-
сів найбільшу у світі грід-інфраструктуру
для розв’язання завдань, що потребують гі-
перресурсів. Нині в реалізації проекту бере
участь понад 330 тисяч учасників. Проект
об’єднує більше ніж 780 тисяч комп’ютерів
із 650 млн комп’ютерів, наявних у світі.
Будь-хто може ввійти до цієї мережі й на-
дати для спільного користування свої ре-
сурси, адресу для реєстрації та комутації
(http://www.worldcommunitygrid.org/).
Використання грід-технологій у дослі-
дженнях для пошуку нових ліків, біомоде-
лювання, дослідження спадкових та епіде-
міологічних хвороб, раку так чи інакше
зводяться до спільної основи — вивчення
геному людини. Так само як, скажімо, рів-
няння Максвела описують усе розмаїття
електромагнітних явищ, а рівняння Шре-
дінгера — усю гаму квантомеханічних ефек-
тів, так і у вивченні геному людини можна
буде знайти відповіді на величезну кіль-
кість питань сучасної медицини. Одним із
наймасштабніших науково-до слід них про-
ектів уважають проект «Геном людини»
(Human Genome Project, www.ornl.gov/sci/
techresources/Human_Genome/home.
shtml), у якому всі розрахунки визначення
складу і структури генів виконували по-
тужні суперкомп’ютери. На різних етапах
виконання проекту були задіяні тисячі фа-
хівців із усього світу: біологи, хіміки, ма-
тематики, фізики, програмісти й техніки,
десятки наукових організацій. Це один із
найдорожчих наукових проектів у історії.
Тільки за період із 1990 р. до 1998 р. на
нього було витрачено більше як $1,5 млрд.
Цікаво простежити історію цього проекту,
яка починалася в 1990-х рр. на тлі стрім-
кого розвитку комп’ютерних технологій.
Геном людини, тобто сукупність усіх генів
і міжгенних ділянок ДНК, за оцінками
фахівців, складається з 20—25 тисяч ге-
нів. Будь-яке порушення записаної в генах
інформації веде до мутацій. Із 10 тисяч ві-
домих захворювань людини майже 3 тися-
чі — це спадкові хвороби. Звідси такий ін-
терес до геному людини й витоки його
повномасштабних наукових досліджень.
Виявити всі гени в геномі та встановити
від стані між ними — означає локалізувати
кожен ген у хромосомах. Такі генетичні
карти, крім інвентаризації генів і визна-
чення їхніх положень, відповідають на ви-
нятково важливі питання про те, як гени
визначають ті або інші ознаки організму.
Число хромосом та їхня довжина різні в
різних біологічних видів. У клітинах бак-
терій лише одна хромосома. Так, розмір
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2008, № 10 13
геному бактерії Mycoplasma genіtalіum —
0,58 Мб (Мегабаза — від англійського сло-
ва «base» — основа), у бактерії кишкової
палички Escherіchіa colі в геномі 4,2 Мб, у
рослини Arabіdopsіs thalіana — 100 Мб, у
плодової мушки Drosophіla melanogaster —
120 Мб. Найменша хромосома людини
має ДНК довжиною 50 Мб, а найбільша
(перша хромосома) — 250 Мб. До 1996 р.
найбільша ділянка ДНК, яка була виділе-
на з хромосом за допомогою реактивів,
мала довжину 0,35 Мб. На найкращому
устаткуванні структуру генів розшифро-
вували зі швидкістю 0,05–0,1 Мб на рік
при вартості $1–2 за основу. Іншими сло-
вами, тільки на цю роботу знадобилося б
приблизно 30 тис. днів (майже століття) і
$3 млрд.
Прорив у вирішенні питання розшиф-
рування геному людини пов’язаний із ро-
ботами Крейга Вентера [10], у розпоря-
дженні якого опинився величезний парк
комп’ютерів, що вважали тоді другим за по-
тужністю у світі. Триста суперкомп’ютерів
цілодобово обробляли величезні масиви
даних. Вентер увів метод визначення послі-
довності ДНК, пізніше названий «методом
безладної стрілянини». Суть його в тому,
що для визначення послідовності генів пев-
ну ДНК розбивають на безліч невеликих
фрагментів, кожний із яких досліджують
окремо. Як аналогію можна навести при-
клад: якщо потрібно просапати багато ряд-
ків на овочевому лані, то швидше це зро-
бить не окрема людина, а бригада з кількох
працівників. Після того як визначено по-
слідовності кожного фрагмента, у дію вво-
дять складні комп’ютерні програми, які за-
ново збирають вихідну послідовність. У
червні 2000 року Крейг Вентер і Френсіс
Колінз, керівники проекту «Геном люди-
ни», оголосили про першу реконструкцію
повного геному людини. У лютому 2001 р.
міжнародний консорціум науковців із
США, Великобританії, Франції, Німеччи-
ни, Японії й Китаю оприлюднив результа-
ти своїх досліджень геному людини. Про-
тягом наступних років різні групи вчених у
всьому світі періодично звітували про ре-
зультати роботи щодо розшифрування ге-
ному людини. Так, у 2003 р. було оголоше-
но про повне розшифрування ДНК, зали-
шалася нерозшифрованою тільки перша
хромосома людини. У травні 2006 р. до-
слідники з Wellcome Trust Sanger Іnstіtute
разом із американськими й англійськими
колегами оголосили про закінчення остан-
нього етапу роботи з розшифрування пер-
шої, найбільшої, хромосоми людини. У її
послідовність входять 223569564 нуклео-
тидні основи, що становить приблизно 8%
від людського геному. Вона кодує в два
рази більше генів, ніж середня людська
хромосома. Мутації в першій хромосомі ле-
жать в основі більше ніж 350 захворювань,
у тому числі й деяких видів раку, хвороб
Альцгеймера та Паркінсона, гіперліпідемії,
муковисцидозу тощо. Це особливо важли-
во для ранньої діагностики хвороб, тому
що діагностувати сьогодні подібні захворю-
вання можна тільки після появи клінічних
симптомів. Генетичні тести також можуть
бути використані для виявлення груп лю-
дей, схильних до діабету ІІ типу, астми, ос-
теопорозу, емфіземи, деяких видів раку.
Увесь цей величезний масив інформації
міститься в режимі вільного доступу в чис-
ленних базах даних та електронних бібліо-
теках.
Розшифрування геному людини в пер-
спективі відкриває можливості лікувати не
хворобу, а конкретного хворого. Тобто в
майбутньому можна буде втілити мрію про
персоналізовану медицину, коли діагности-
ка й лікування могли б повністю врахову-
вати генетичну індивідуальність людини.
Щоправда, для цього необхідно розшифру-
вати геном конкретної людини. З повного
генетичного профілю конкретної людини
можна буде оцінити вроджені схильно сті
14 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2008, № 10
до тих чи інших хвороб і точно підібрати
медикаментозну терапію. Сьогодні такий
генетичний профіль коштує майже $2 млн.
У кожної людини ДНК різна, а розшифро-
ваний у межах проекту «Геном людини»
геном — це лише зразки ДНК випадково
відібраних людей. Потреба в таких дослі-
дженнях величезна. Нещодавно з’явилася
інформація, що сучасні ліки неефективні
при лікуванні депресій у 40% випадків, ар-
тозів — у 50%, мігрені — у 60%, виразки
шлунка — у 70%, гіперліпідемії, бронхіаль-
ної астми, цукрового діабету, артеріальної
гіпертензії, шизофренії — у 75%. Така реак-
ція людини на ліки може бути викликана
різними причинами, але, за оцінками фа-
хівців, генетичні фактори зумовлюють від
20 до 95 відсотків негативної реакції. Поки
що ДНК-діагностика обмежується кілько-
ма сотнями тестів на хвороби з більш-менш
визначеною генетичною природою.
Для персоналізації лікування медицині
ще необхідно пройти довгий шлях дослі-
джень і контрольних експериментів, зна-
йти способи радикального прориву в на-
прямі прискореного та фінансово доступ-
ного розшифрування геному конкретної
людини. Сьогодні найшвидший секвенатор
ДНК (пристрій для розшифрування гене-
тичного коду) в університеті Сент-Луїса в
США працює в 400 разів швидше від ко-
лишніх моделей, опрацьовує 800 тисяч ну-
клеотидів на добу, але навіть при такій
швидкості на розшифрування, наприклад,
першої хромосоми конкретної людини буде
потрібно 280 діб безперервної роботи.
Грід-технології з успіхом були викорис-
тані також для аналізу властивостей гена
АСЕ, скорочену назву якого перекладають
як ангіотензин-конвертувальний фермент,
що виробляє ангіотензин, негативна дія
якого на стінки артерій призводить до гі-
пертонії. Відносно давно були знайдені бло-
катори ферменту АСЕ, проте їхня дія недо-
статньо ефективна. Ці ліки продають в ап-
теках як засіб від підвищеного тиску. Ана-
ліз геному дав змогу виділити ген АСЕ-2,
який кодує більш поширений і ефективний
варіант ферменту. Пізніше було визначено
віртуальну структуру білка і підібрано хі-
мічні сполуки, що активно блокують білок
АСЕ-2. Так, було знайдено новий препа-
рат проти підвищеного артеріального тис-
ку, причому за вдвічі менший час та вар-
тість пошуку $200 млн замість прогнозова-
них $500 млн.
Інший проект TGCA (The Cancer Genome
Atlas, США, http://cancergenome.nih.gov/)
спрямований на розшифрування й скла-
дання систематизованого каталогу послі-
довностей нуклеотидів ДНК ракових клі-
тин (близько 50 типів). На виконання про-
екту заплановано протягом 9 років залучи-
ти з бюджету США кошти в обсязі $1,35
млрд.
Сьогодні вже створені карти геномів і
розшифровані послідовності ДНК ряду
сільськогосподарських рослин, хворобо-
творних бактерій і вірусів, дріжджів, азот-
фіксувальних бактерій, малярійного плаз-
модія й комарів. Біологи сподіваються про-
вести повну класифікацію тварин і рослин
шляхом створення генетичних штрих-кодів,
за якими можна було б визначити будь-
який вид шляхом зіставлення характерного
для нього фрагменту геному. Це значно по-
легшить виявлення нових біологічних ви-
дів, адже «традиційне» дослідження між-
видових розходжень вимагає багато часу й
спеціальних знань. Сьогодні відомо 1,5 млн
видів тварин і 0,5 млн видів рослин, а, за
деякими оцінками, число невивчених видів
перевищує відомі більш як у 4–5 разів.
Мережа World Community Grid є першим
віртуальним суперкомп’ютером, який надав
свої ресурси для досліджень із пошуку но-
вих ліків та методів лікування від СНІДу —
проект FightAIDS@Home (http://fight aid-
sa thome.scripps.edu/). Його виконують спіль-
но з Інститутом Скрипса (Scripps Research
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2008, № 10 15
Institute). У проекті вивчають мо жливі вза-
ємозалежності та взаємозв’язки між трьома
тисячами амінокислот ВІЛ, зразки яких
взяті від інфікованих осіб, та сотнями типів
імунних систем людей. За спеціальними
тестами перевіряють вірогідні зв’язки між
зразками вірусу й типами імунних систем.
Кількість молекул потенційних ліків, так
само як і кількість можливих мутацій ВІЛ-
білків, неймовірно велика. Ці дослідження
вимагають колосальних комп’ютерних ре-
сурсів для перевірки мільйонів варіантів
моделей мутацій вірусу.
Підсумовуючи викладене, можна конста-
тувати, що ефективність використання но-
вітніх інформаційних технологій у меди-
цині безпосередньо залежить від рівня ро-
зуміння суспільством тенденцій розвитку
сучасної медицини й науки в цілому, від го-
товності медиків, фізиків, математиків та
інженерів до співпраці щодо впровадження
нових технологій у цю важливу галузь охо-
рони здоров’я людини.
1. Foster I., Kesselman C., Tuecke S. The Anatomy of the
Grid: Enabling Scalable Virtual Organizations //
International Journal of High Performance Com-
puting Applications,15 (3), 200–222, 2001 (http://
www.globus.org/research/papers/anatomy.pdf).
2. Foster І., Kesselman С., Тsudik G., Tuecke S. A Security
Architecture for Computational Grids // Proc. 5th
ACM Conference on Computer and Communications
Security Conference, p. 83-92,1998 (ftp://ftp.globus.
org/pub/globus/papers/security.pdf1).
3. Загородній А.Г., Зинов’єв Г.М., Мартинов Є.С., Ша-
дура В.М. ГРІД — нова обчислювальна технологія
для науки // Вісник НАН України. — 2005. —
№ 6. — С. 17–19.
4. Матеріали виїзного спільного засідання Коміте-
ту Верховної ради України з питань науки і осві-
ти та Консультативної ради з питань інформати-
зації при Верховній Раді України. — К.: Совтпрес,
2007 — 208 с.
5. Warren R., Solominides A.E., del Frate C., Warsi I.,
Ding J., Odeh M., McClatchey R., Tromans C., Bra-
dy M., Highnam R., Cordell M., Estrella F., Bazzoc-
chi M., Amendolia S.R. MammoGrid — a prototype
distributed mammographic database for Europe //
Clin. Radiol. — 2007. — Vol. 62(11). — P. 1044—
1051.
6. Hasting S., Oster S., Langella S., Kurs T., Pan T., Cat-
alyurek U.V., Saltz J.H. A grid based imege archival
and analysis system // Am. Med. Inform. Assoc. —
2005. — Vol. 12. — №3. — Р. 286–295.
7. Ходжибаев А.М., Адылова Ф.Т. Новейшие ин фор-
мационные ГРИД-технологии в элект ронной ме-
дицине // Укр. журнал телемед., мед., телемат. —
2005. — Т.3. — №1. — С. 23–24.
8. Erberich S.C., Silverstein J.C., Chervenak A., Schuler R.,
Nelson M.D., Kesselman C. Globus Medicus — Feder-
ation of DICOM Medical Imaging Devices into
Helthcare Grid //Stud. Health Technol. Inform. —
2007. — Vol. 126. — P. 269–278.
9. Vincent Breton, Kevin Dean, Tony Solomonides. The
Healthgrid White Paper (http://clrwww.in2p3.fr/
PCSV/IMG/pdf/WP%20IOS%20complete.pdf).
10. Creg VenterJ. A life Decoded. My Genome: My Life,
Pengium group. — USA, 2007. — 400 p.
В. Авраменко, А. Загородній, Є. Мартинов
ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВННЯ ГРІД-ТЕХНОЛОГІЇ
В МЕДИЦИНІ
Р е з ю м е
У статті проаналізовано деякі питання застосування
грід-технологій у медицині. Їхню суть викладено як
спосіб побудови середовища для колективних об-
числень, що дозволяє використати при розв’язанні
багатьох завдань безпрецедентно великі, географічно
розподілені обчислювальні ресурси. Відзначено, що в
НАН України грід-технології вже існують і розвива-
ються. Детально обговорено специфіку роботи з ме-
дичною інформацією та аргументовано необхідність
застосування грід-обчислень у медичній практиці.
Наведено приклади того, що зроблено в цьому напря-
мі у світі, підкреслено високу потенційну ефектив-
ність і перспективи грід-технологій для медицини.
V. Avramenko, А. Zagorodniy, Ye. Martynov
PECULIARITIES OF GRID-TECHNOLOGY APLICATION
IN MEDICINE
S u m m a r y
Some problems of grid-technology applications in me-
di cine are analyzed in the article. A matter of grid-
tech nology as a method to create common computing
environment, which allows involving extra powerful geo-
graphically distributed computing resources for solving
many tasks, is described. It is noted that grid-technolo-
gies in NAS of Ukraine already exist and are developed.
The special features of medical grid-applications are
discussed in details, the necessity of grid computations
application in medical practical activity is substantiated.
The examples of the medical applications in the world
are given, high potential efficiency and prospects of grid-
technologies for medicine is emphasized.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-3418 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0372-6436 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-01T16:04:30Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Загородній, А.Г. Мартинов, Є.С. Авраменко, В.I. 2009-07-07T11:56:18Z 2009-07-07T11:56:18Z 2008 Особливостi застосування грiд-технологiї в медицинi / В.I. Авраменко, А.Г. Загороднiй, Є.С. Мартинов // Вісн. НАН України. — 2008. — № 10. — С. 5-15. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3418 У статті проаналізовано деякі питання застосування грід-технологій у медицині. Їхню суть викладено як спосіб побудови середовища для колективних обчислень, що дозволяє використати при розв’язанні багатьох завдань безпрецедентно великі, географічно розподілені обчислювальні ресурси. Відзначено, що в НАН України грід-технології вже існують і розвиваються. Детально обговорено специфіку роботи з медичною інформацією та аргументовано необхідність застосування грід-обчислень у медичній практиці. Наведено приклади того, що зроблено в цьому напрямі у світі, підкреслено високу потенційну ефективність і перспективи грід-технологій для медицини. Some problems of grid-technology pplications in medi cine are analyzed in the article. A matter of gridtech nology as a method to create common computing environment, which allows involving extra powerful eographically distributed computing resources for solving many tasks, is described. It is noted that grid-technologies in NAS of Ukraine already exist and are developed. The special features of medical grid-applications are discussed in details, the necessity of grid computations application in medical practical activity is substantiated. The examples of the medical applications in the world are given, high potential efficiency and prospects of gridtechnologies for medicine is emphasized. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Статті та огляди Особливостi застосування грiд-технологiї в медицинi Peculiarities of grid-technology aplication in medicine Article published earlier |
| spellingShingle | Особливостi застосування грiд-технологiї в медицинi Загородній, А.Г. Мартинов, Є.С. Авраменко, В.I. Статті та огляди |
| title | Особливостi застосування грiд-технологiї в медицинi |
| title_alt | Peculiarities of grid-technology aplication in medicine |
| title_full | Особливостi застосування грiд-технологiї в медицинi |
| title_fullStr | Особливостi застосування грiд-технологiї в медицинi |
| title_full_unstemmed | Особливостi застосування грiд-технологiї в медицинi |
| title_short | Особливостi застосування грiд-технологiї в медицинi |
| title_sort | особливостi застосування грiд-технологiї в медицинi |
| topic | Статті та огляди |
| topic_facet | Статті та огляди |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3418 |
| work_keys_str_mv | AT zagorodníiag osoblivostizastosuvannâgridtehnologiívmedicini AT martinovês osoblivostizastosuvannâgridtehnologiívmedicini AT avramenkovi osoblivostizastosuvannâgridtehnologiívmedicini AT zagorodníiag peculiaritiesofgridtechnologyaplicationinmedicine AT martinovês peculiaritiesofgridtechnologyaplicationinmedicine AT avramenkovi peculiaritiesofgridtechnologyaplicationinmedicine |