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DiCloud: um modelo para compartilhamento transparente de imagens médicas com compressão e elasticidade proativa na nuvem

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Autor Lopes, Thiago Roberto Lima;
Lattes do autor http://lattes.cnpq.br/0341022855030531;
Orientador Righi, Rodrigo da Rosa;
Lattes do orientador http://lattes.cnpq.br/2332604239081900;
Instituição Universidade do Vale do Rio dos Sinos;
Sigla da instituição Unisinos;
País da instituição Brasil;
Instituto/Departamento Escola Politécnica;
Idioma pt_BR;
Título DiCloud: um modelo para compartilhamento transparente de imagens médicas com compressão e elasticidade proativa na nuvem;
Resumo A partir de 1970, com o surgimento da tomografia computadorizada, as imagens médicas se tornaram parte fundamental do fluxo de diagnóstico. A padronização das imagens através do formato DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) representou um grande avanço para a interoperabilidade das máquinas de capturas das imagens médicas, bem como para os softwares que realizam a visualização. Todavia, ainda no presente existem desafios que precisam serem perpassados para aperfeiçoar os processos, a fim de agilizar o diagnóstico clínico. O servidor de armazenamento das imagens (PACS), em geral, se localiza internamente nos hospitais, não sendo possível compartilhar essas imagens com outros médicos que estejam fora do domínio do hospital, dificultando por exemplo, a colaboração de um especialista que esteja em um local geograficamente distante. Contudo, essa arquitetura pode ser distribuída usando cloud computing, que além de colaborar para o compartilhamento de imagens médicas, colabora com o gerenciamento mantendo a qualidade de serviço mesmo sobre o aumento de carga de trabalho. Utilizando elasticidade é possível alocar e desalocar recursos conforme algumas métricas, como CPU, visando melhorar o desempenho da aplicação. Existem diversos trabalhos que utilizam elasticidade para melhorar o desempenho da aplicação, mas a maioria dos trabalhos baseiam-se na elasticidade reativa, onde as ações são executadas quando alguma métrica atinge um determinado limite. Além disso, outros trabalhos que abordam compressão das imagens a fim de reduzir a demanda por espaço em disco, o fazem apenas no pixel-data e não se atém em questões relacionados ao tempo de transmissão das imagens e velocidade da conexão com a internet. O acesso limitado à pesquisadores proposto nos trabalhos relacionados desatende os profissionais da saúde que podem se beneficiar de um acesso remoto e mais rápido às imagens. Neste trabalho, se utiliza uma abordagem diferenciada, com a elasticidade proativa e um algoritmo baseado em séries temporais para prever valores futuros de uma métrica e tomar decisões de antemão. Foram modeladas quatro cargas de trabalho, utilizadas na avaliação do modelo: constante, onda, crescente e decrescente. É demonstrado resultados de predição de valores com a simulação de cargas de trabalhos reais. Para cada carga de trabalho foi avaliado o melhor modelo do ARIMA para predição. O algoritmo mais eficiente foi escolhido e aplicado nos demais testes, que incluem mensurar o nível de compressão alcançado para cada um dos métodos de compressão avaliados. O modelo teve sua contribuição validado junto a um software de servidor PACS real, nos aspectos de desempenho, seu grau de compressão e a efetividade em compartilhar imagens com outro hospital. Este trabalho contribui nos aspectos de tornar possível o compartilhamento de imagens médicas, mesmo em ambientes com internet com baixa largura de banda, características em países em desenvolvimento, através de compressão das imagens para melhor aproveitamento da conexão com a internet. O melhor algoritmo de compressão foi o Zip+PPMd, que obteve uma redução do tamanho do dataset de 72.32%. Também contribui provendo elasticidade proativa de aplicações, onde os resultados demonstram que é possível manter a qualidade de serviço (0% de erros) e reduzir os custos da nuvem (menor quantidade de VMs ligadas), através da correta alocação e liberação dos recursos.;
Abstract Since 1970, with the advent of computed tomography, medical images have become a fundamental part of the diagnostic flow. The standardization of images through the DICOM format (Digital Imaging and Communications in Medicine) represented a significant advance for the interoperability of the medical image capture machines, as well as for the software that performs the visualization. However, in the present, some challenges need to be overcome to improve the processes in order to speed up the clinical diagnosis. The image storage server (PACS), in general, is located internally in hospitals, and it is not possible to share these images with other doctors outside the hospital’s domain, making it difficult, for example, to collaborate with a specialist who is in a location geographically distant. However, we can distribute this architecture using cloud computing, which also collaborates for sharing the medical images and helps the management supporting the quality of service even on the increase in workload. When using elasticity, it is possible to allocate and deallocate resources according to some metrics, such as CPU, to improve the performance of the application. Several works use elasticity to improve the application’s performance, but most of the works apply reactive elasticity, where one performs actions when a metric reaches a specific threshold. Also, works that address image compression to reduce the disk space demand do so only on pixel-data and do not focus on issues related to the image transmission time and the speed of the internet connection. The researchers-only access proposed in related works dismisses health professionals who can benefit from remote and faster access to medical images. In this work, a differentiated approach is employed, using a proactive elasticity and an algorithm based on time series to predict future values of a metric and make decisions beforehand. Four workloads were modeled and used to evaluate the model: constant, wave, ascending, and descending. We evaluate different ARIMA parameters for each workload, to choose which parameter set is the best ARIMA to forecasting in our model. Besides using the most efficient ARIMA algorithm, the tests also include measuring the compression level for each of the compression methods available on 7-Zip. We validated this model with real PACS server software, in terms of performance, compression rate, and the effectiveness in sharing images with another hospital. This work contributes to making the sharing of medical images possible even in environments with low internet bandwidth (commonly found in developing countries), through images compression for better use of the internet connection. The best compression algorithm was Zip + PPMd, which obtained a reduction of 72.32% in the dataset size. It also contributes by providing proactive elasticity of applications, where the results demonstrate that it is possible to maintain the quality of service (0% errors) and reduce the costs of the cloud (fewer connected VMs), through the correct allocation and release of resources.;
Palavras-chave Elasticidade; Escalabilidade; Desempenho; Computação de alto desempenho; Compartilhamento; DiCloud; Elasticity; Scalability; DICOM; Performance; high-performance computing; Sharing;
Área(s) do conhecimento ACCNPQ::Ciências Exatas e da Terra::Ciência da Computação;
Tipo Dissertação;
Data de defesa 2020-03-26;
Agência de fomento CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior; CNPQ – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico;
Direitos de acesso openAccess;
URI http://www.repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/9536;
Programa Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada;


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