Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Грид-технологии в медицине

ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

В наш век информационных технологий, без которых невозможно представить себе современную жизнь с ее бешеным темпом, все более важную роль играет именно скорость решения тех или иных задач.

Предметом данной курсовой работы, в широком смысле, являются распределенные вычисления – способ решения трудоемких задач (вычислительных задач обработки данных) с привлечением большого числа исполнителей (вычислительных ресурсов, а также ресурсов передачи и хранения данных), работающих одновременно над разными частями задачи.

Вообще говоря, этот термин объединяет большое количество различных подходов и конкретных технологий для решения такого рода задач. Мы сосредоточимся на рассмотрении одного из них, а именно, на технологии, создании и использовании больших Грид-систем.

Пионеры грид-технологий Ян Фостер из Аргоннской Национальной лаборатории и Чикагского университета и Карл Кессельман из Института информационных наук университета Южной Калифорнии (США) дают следующее определение: «Грид – согласованная, открытая и стандартизованная среда, которая обеспечивает гибкое, безопасное, скоординированное разделение (общий доступ ресурсов) в рамках виртуальной организации».

Термин Грид (в смысле одной из технологий распределенных вычислений - возник в середине 90-х годов) происходит от англ.слова «grid» и его буквальным переводом на русский язык является слово «решетка». Но такой буквальный перевод не вполне отражает смысл термина. Дело в том, что англоязычный термин «grid» произошел от «power grid», что соответствует русскому «энергосеть» или «энергосистема». В этом и заключается смысл названия: подобно тому, как при использовании

энергосистем мы не интересуемся – какой именно электрогенератор выработал ток, который мы потребляем (а просто платим за электричество энергетической компании, с которой мы заключили договор), при использовании компьютерного грида мы можем не заботиться о том, какой конкретно компьютер в грид-системе выполнил нашу задачу.

Таким образом, в основе грид-систем лежит обеспечение стабильной работы набора служб стандартизованного управляющего программного обеспечения для обеспечения надежного, унифицированного доступа к географически распределенным информационным и вычислительным ресурсам, включающим отдельные компьютеры, кластеры и суперкомпьютерные центры, хранилища информации и т.д.

Применение Грид-технологий в медицине сейчас крайне актуально.

Построение медицинских изображений включает работу многих связанных друг с другом систем. Некоторые из них требуют значительных вычислительных ресурсов и выполняют параллельную реконструкцию изображений. В результате появляются такие технологии, как «виртуальные биопсии» для диагностики рака без хирургического вмешательства, что повышает качество жизни пациентов и помогает снизить стоимость лечения. Компьютерное моделирование дает возможность планировать сеансы радиотерапии на основе результатов графических данных обследования пациента, а Грид-инфраструктура используется для уменьшения времени, необходимого для получения более достоверных результатов. Клинические системы используют классификацию изображений для того, чтобы помочь врачам при принятии решений о выборе методов лечения. Отдельные приложения изучают распространение контрастного вещества в печени и других органах, используя последовательность изображений, полученных методом магнитного резонанса. Движения пациента во время этой процедуры делают невозможным непосредственное сравнение изображений. Однако специальная корректирующая обработка изображений (на основе нахождения подобных фрагментов) позволяет конструктивно анализировать такую последовательность изображений за разумное время.

Интерактивное формирование трехмерных изображения всего объема сложных органов можно осуществить с помощью пакета специализированных программ. Еще один пакет программного обеспечения применяется в нейрологических исследованиях для ранней диагностики болезни Альцгеймера. В его основе лежит сравнение данных пациента с большим набором данных от людей, не имеющих этой патологии. Объем данных, которыми при этом приходится манипулировать, превышает возможности одиночных стандартных компьютеров, но приложение может легко быть распределено по ресурсам Грид и выполнено за приемлемое время.

Вторая область Грид-технологий в биомедицине – биоинформатика. Здесь также ведется работа со сложными алгоритмами оптимизации обработки биологических данных. Сфера интересов биоинформатики включает в себя геномику, протеомику и филогению.

Так, например, выполняется трехмерный структурный анализ больших макромолекулярных комплексов.

В процессе восстановления их структуры используется множество разных изображений исследуемого образца. Эти изображения, однако, часто подвержены различным фоновым воздействиям, что заметно усложняет анализ. Поэтому для составления наиболее адекватной экспериментальным данным модели необходимо сделать много последовательных приближений, что требует значительных Грид-ресурсов. С помощью другого приложения возможно проводить моделирование эволюции генома человека. Оно позволяет восстановить исторический процесс расселения человека по Земле в географически правдоподобных ландшафтах и моделировать молекулярное разнообразие разных человеческих популяций.

И третье. Грид-инфраструктура используется для ускорения поиска молекул с целью создания препаратов от различных болезней, новых лекарств посредством компьютерного моделирования структуры и динамики белков. Используя основанные на Грид-технологиях программы расчета пристыковки молекул (молекулярного докинга), исследователи быстро просматривают многие тысячи вариантов и отбирают наиболее перспективные соединения, что снижает стоимость разработки препаратов.

Таким образом, задачами курсовой работы являются:

на примере медицинского учреждения рассмотреть, как применяются Грид-технологии в медицине;
разработать для данного учреждения ЛВС (физическую и логическую модель).

Отчет о предпроектном обследовании

Краткое описание проблемной ситуации

Объектом проектирования является локальная телекоммуникационная сеть медицинского учреждения. Данная сеть должна обеспечивать транспортировку информации в рамках учреждения и обеспечивать возможность взаимодействия с глобальной сетью Internet. Учреждение, для которого проектируется локальная сеть, является поликлиникой, основным видом деятельности которой является обследование и лечение людей всех возрастов.

Можно выделить следующие цели проектирования сети:

- обеспечение доступности информации;

- централизованное хранение информации в базах данных;

- архивирование и резервное копирование информации;

- обеспечение информационной безопасности в рамках ТКС организации;

- взаимодействие локальной сети организации с глобальной сетью Internet.

Развернутая постановка задачи

В данном курсовом проекте я проводила предпроектное обследование ЛПУ «Городская поликлиника № 5». Это учреждение занимается проведением профилактических мероприятий и лечением людей всех возрастных групп.

В штате числится 50 сотрудников. Рабочих мест на 4 этажа здания всего 20. Работа поликлиники ведется в две смены, врачи и другой персонал поликлиники работает посменно.

Инфраструктура учреждения такова:

Рис.1 Инфраструктура ЛПУ «Городская поликлиника №5»

Так как современная медицина все больше продвигается вперед благодаря открытиям отечественных и зарубежных ученых, то и потребность в получении большого количества информации и автоматизации рабочих мест врачей растет. Ни одно учреждение среднего масштаба уже не обходится без сетевых технологий. А для области медицины это особенно важно, ведь от уровня квалификации медицинских работников и мед. оборудования в данном случае зависит здоровье и жизнь людей.

Рис.2 Технологическая инфраструктура медицинских учреждений (Россия)

Что же представляет собой тот немногочисленный компьютерный парк, который имеется в медицинских учреждениях? Результаты опроса показали, что пригодными для эксплуатации могут считаться лишь 68% ПК – те, которые относятся к категории Pentium IV и выше. 14% компьютерного оборудования может быть списано без малейшего сожаления (компьютеры класса Pentium II и ниже), а 18% относительно пригодно для решения несложных задач в рамках ЛПУ (компьютеры класса Pentium III).

Рис.3 Категории систем класса Pentium

Неблагополучной можно назвать и ситуацию с организацией каналов связи медучреждений. Значительная часть из них использует для передачи информации внешние электронные носители (35,44%) или выходит в интернет через модем (36,64%). Широкополосный доступ, уровень проникновения которого в России, по последним данным, превысил 34%, используется лишь в 9,11% ЛПУ, а спутниковый интернет остается уделом избранных (0,9%).

Рис.4 Каналы связи учреждений здравоохранения

С автоматизацией основной деятельности медучреждений дела обстоят не столь хорошо. Практически все ЛПУ автоматизировали управление ресурсами (98,66%), многие – экономико-статистический учет (41,83%). Но собственно медицинские информационные системы, так необходимые для организации самого процесса лечения, имеются не более чем в 13,58% медучреждений.

Рис. 5 Оснащенность медицинских учреждение специальным ПО

Необходимо создать ЛВС в данном учреждении для более эффективной, качественной и продуктивной его работы.

Здание данного медицинского учреждения состоит из 4 этажей. Все этажи однотипные, кроме первого. Поэтому план 2, 3, 4 этажа таков:

Рис.6 План 2, 3, 4 этажей

Также в случае пожара или другой ЧС показан план эвакуации (1 этаж).

Рис. 7 План 1 этажа

Организация ИТ-инфраструктуры учреждения такова, что почти в каждом помещении есть одна или две рабочие станции. В кабинетах врачей они необходимы и служат АРМ для каждого из них.

Требования для построения сети:

сеть должна быть проведена ко всем кабинетам врачей, в регистратуре, администрации и бухгалтерии;
в целях безопасности АРМ сотрудников должно быть не более 12 на каждом из 3 верхних этажей здания, так как вдоль стен всех помещений стоит оборудование для диагностики и лечения больных и рабочие места врачей.

Пояснительная записка

Общие положения (основание и исходные данные для разработки, назначение системы)

В настоящее время в России начата масштабная модернизация здравоохранения. Одним из 3 направлений модернизации выделено внедрение современных информационных систем или, как ее часто называют, информатизация здравоохранения.

По мнению Минздравсоцразвития РФ, основной целью мероприятий по информатизации системы здравоохранения должно стать обеспечение эффективной информационной поддержки системы здравоохранения, граждан в рамках процессов управления медицинской помощью и ее непосредственного оказания. Перечень мероприятий по информатизации здравоохранения регионов как правило включает следующее:

- информатизацию медицинских учреждений, в том числе с целью ведения электронной медицинской карты

- оснащение медицинских учреждений компьютерным оборудованием;

- организацию локальных вычислительных сетей и каналов связи

- внедрение медицинских информационных систем, включая ведение листов ожидания и запись на прием к медицинскому работнику, учет и анализ деятельности медицинских учреждений, оформление медицинской документации в электронном виде.

2.2 Общее техническое решение по организации ИТ-инфраструктуры

Задание: Спроектировать и описать ЛВС для поликлиники с учетом функций работников, которая занимает помещение со следующими параметрами:

Количество корпусов: 1
Общая площадь: 800 м²
Количество этажей: 4
Толщина стен: 30 см
Количество комнат всего: 40
Количество комнат с ПК: 30
Количество компьютеров: 46

ИТ-инфраструктура предприятия – это комплекс систем, состоящий из набора специализированного программного обеспечения, сетевых служб, службы каталога, политик информационной безопасности, систем резервного копирования и хранения данных, средств спам-защиты и т.д. В совокупности комплекс систем определяет доступность бизнес-приложений для сотрудников предприятия и возможности роста бизнеса.

Служба каталога

Сетевые службы

Файловый сервер

Сервер печати

Электронная почта

Защита от спама

Антивирусная защита

Резервное копирование информации

Обновление версий программного обеспечения

Безопасный доступ в Интернет

Управление базами данных

Мониторинг и управление

Обратная связь

Служба каталога

При проектировании сети необходимо учитывать общие требования к ЛВС:

- Производительность;

- Надежность и безопасность;

- Расширяемость и масштабируемость;

- Прозрачность;

- Управляемость;

- Совместимость.

2.3 Технические решения по ЛВС

1. Технические решения:

1. Технология Ethernet 1000Base-LX.

Скорость передачи данных: 1000 Мбит/с.

Тип используемого кабеля: волоконно-оптический.

Тип используемого волокна: одномодовое

Максимальная длина линии связи: 5000 метров.

Характеристики сети:

Для достижения поставленных целей сеть должна иметь следующие характеристики:

Наличие доступа в Internet.

Высокая пропускная способность (100 – 1000 Мбит/с)

Высокая производительность сервера.

Средняя производительность АРМ отдела разработки и тестирования.

Высокая отказоустойчивость всех компонентов сети.

Возможность расширения.

Определение размеров и структуры сети

В соответствии с разработанной инфологической моделью организации, очевидно, что проектируемая сеть имеет большой размер, так как охватывает площадь, ограниченную не одним этажом здания. При проектировании структуры сети необходимо учитывать возможность ее расширения. Анализ возможностей роста организации дает возможность предположить, что данная сеть может быть увеличена за счет добавления нового сегмента, располагающегося на другом этаже.

Рис.8 Топология «Звезда»

Сеть организована с использованием топологии «Звезда» (рис 2). При топологии "звезда" все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту, именуемому концентратором (hub). Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным. Рабочая станция, которой нужно послать данные, отсылает их на концентратор, а тот определяет адресата и отдаёт ему информацию. В определённый момент времени только одна машина в сети может пересылать данные, если на концентратор одновременно приходят два пакета, обе посылки оказываются не принятыми и отправителям нужно будет подождать случайный промежуток времени, чтобы возобновить передачу данных.

1) Достоинства

- Выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети в целом;

- Хорошая масштабируемость сети;

- Лёгкий поиск неисправностей и обрывов в сети;

- Высокая производительность сети;

- Гибкие возможности администрирования.

2) Недостатки

- Выход из строя центрального концентратора обернётся неработоспособностью сети в целом;

- Для прокладки сети зачастую требуется больше кабеля, чем для большинства других топологий;

- Конечное число рабочих станций, т.е. число рабочих станций ограничено количеством портов в центральном концентраторе.

Рис. 9 Логическая схема сети

Рис. 10 Физическая модель локальной сети.

Вся сеть организации разделяется на три подсети. Каждая подсеть в свою очередь может состоять из нескольких сегментов. Первая подсеть сети – это группа разработчиков. Она состоит из 47 рабочих станций и сервера рабочей группы. Все хосты этой подсети объединены коммутатором, который соединен с маршрутизатором сети. Вторая подсеть – это группа тестирования. Структура этой подсети аналогична предыдущей. Третья подсеть включает в себя АРМ руководства, администраторов, сервер.

Такая структура сети легко может быть расширена. Для этого достаточно подключить новую подсеть к маршрутизатору и настроить сетевые адреса для нее.

После разработки структуры сети необходимо выбрать тип кабельной системы, используемой в сети.

Сеть строится на основе стандарта 100BASE-TX. Стандарт 100BASE-TX определяет сегмент Ethernet на основе неэкранированных витых пар (UTP) категории 3 и выше с топологией пассивная звезда (Twisted-Pair Ethernet). Данный тип сегмента Ethernet имеет все преимущества и недостатки пассивной звезды. Суммарное количество кабеля, необходимого для объединения такого же количества компьютеров, оказывается гораздо больше, чем в случае шины. С другой стороны, обрыв кабеля не приводит к отказу всей сети, монтаж, а также диагностика неисправности сети проще. В сегменте 100BASE-TX передача сигналов осуществляется по двум витым парам проводов, каждая из которых передает только в одну сторону (одна пара – передающая, другая – принимающая). Кабелем, содержащим такие двойные витые пары, каждый из абонентов сети присоединяется к концентратору (хабу). Концентратор производит смешение сигналов от абонентов для реализации метода доступа CSMA/CD, то есть в данном случае реализуется топология пассивная звезда.

Так как характеристики сети удовлетворяют требованиям для использования витой пары в качестве сетевой среды, то выбрана был кабель UTP категории 5Е 24AWG. Кабели имеют стандартные разъемы RJ-45.

3. Выбор сетевого оборудования

Одной из наиболее ответственных задач при проектировании сети является выбор сетевого оборудования, так как при этом необходимо обеспечить необходимые характеристики сети и избежать лишних материальных затрат. Перечень используемого оборудования приведен в приложении А.

Самым дорогим компонентом сети является сервер. Сервер должен выполнять несколько функций.

Обеспечивать резервное копирование данных.

Поддерживать СУБД для хранения эталонов программ

Обработка действий с файлами, находящимися на его носителях.

Выполнять функцию маршрутизации данных в сети.

Так же в сети используется proxy-сервер, для выхода в internet. Данный сервер имеет реальный ip-адрес, который используется хостами сети для выхода в глобальную сеть. Функции, выполняемые данным сервером, сводятся к обработке электронной почты, подмене локальных адресов хостов реальным ip-адресом. Вследствие этого, он не отличается высокой производительностью и по своей архитектуре близок к стандартному АРМ. Данный сервер введен в сеть исходя из целей безопасности. Если ограничиться лишь одним сервером, и возложить на него помимо вышеописанных функций еще и функции по взаимодействию с глобальной сетью, то он станет уязвим к внешним атакам, так как содержит всю важнейшую информацию организации и является одной из основных целей атак злоумышленников.

Исходя из вышеописанных функций сервера, была подобрана следующая конфигурация:

Hyperion RS110 Платформа: ETegro Hyperion RS110

Процессор: AMD Opteron 165 1.8G dual core

Оперативная память: 2 x DDR 1Gb PC3200 ECC + Registered

Жесткие диски: 1 x HDD 500 GB SATA 7200 rpm, 16MB

Операционная система: Microsoft Windows Server 2003 R2 Standard Edition RUS 5 CL

Расширенная гарантия: ETcare 3 years Classic

Вторым по стоимости компонентом проектируемой сети являются рабочие станции сотрудников организации. Так как, фирма разрабатывает программное обеспечение, то производительность АРМ должна быть достаточно высокой. Как отмечалось выше, сервер, через который происходит взаимодействие локальной сети с сетью Internet, по архитектуре аналогичен с рабочими станциями сотрудников. Исходя из данных соображений, были выбраны следующие компоненты, для АРМ:

AMD Athlon™ 64 3200+ Socket-939

Socket-939: nVidia nForce-4 Ultra

2 x DIMM 512MB DDR SDRAM PC3200

FDD 3.5"

Card Reader all-in-1

SATA 80.0GB 7200rpm 8MB

DVD+-R/RW&CD-RW IDE

256Mb PCI-E GeForce 7300GT

Корпус AOpen QF50C

После выбора составляющих хостов сети необходимо выбрать непосредственно сетевое оборудование.

В проектируемой сети используется кабель типа UTP категории 5e, он имеет следующие характеристики.

Кабель UTP cat.5e 4 пары (305 м) NEOMAX Taiwan [NM10001]. Неэкранированная витая пара (спецификация 10Base-T, 100Base-TX) широко используется в ЛВС. Максимальная длинна сегмента составляет 100м. (328ф.) Неэкранированная витая пара состоит из двух изолированных медных проводов. Существует несколько спецификаций, которые регулируют количество витков на единицу длины - в зависимости от назначения кабеля. Тип оболочки: стандартная (ПВХ) Наружный диаметр оболочки: 5 мм Назначение: Кабель предназначен для использования в компьютерных сетях, в горизонтальной подсистеме структурированных кабельный систем. Совместимость: RJ-45 Ключевые особенности: категория 5е, частота работы: до 125 МГц, сопротивление: 89 Ом Диапазон температур монтажа: 5...+40 Диапазон рабочих температур: -15...+70 Вес кабеля: 40 кг/км

Сетевой адаптер.

ZyXEL OMNI FN312 RTL. Полное описание: Сетевая карта от ZyXEL. Карта с поддержкой стандартов IEEE802.3/IEEE802.3u . Карта может работать с полным дуплексом, поддержка витой пары категории 3, 4, 5. Поддерживается функция Wake-On-Lan Модель: ZyXEL FN312 Интерфейс подключения к компьютеру: PCI. Среда передачи: Медная пара. Разъемы: 1 RJ-45. Поддерживаемые скорости: 10\100 Мб\с. Поддержка полнодуплексного режима: Есть Поддерживаемые ОС: Microsoft Windows 98/2000/ME/XP Microsoft Windows NT 4.0 Microsoft Windows Workgroup 3.11 Novell NetWare 5.x/4.x Novell NetWare client 32 Linux Redhat 6.x, 7.x

Коммутатор

Коммутатор (управляемый) D-Link DES-3226S 24-ports 10/100 Mbps DES-3226S - это высокопроизводительный управляемый коммутатор уровня 2, представляющий собой идеальное решение для небольших рабочих групп. Коммутатор имеет 24 порта 10/100Мбит/с Fast Ethernet и дополнительно может быть укомплектован модулями 100BaseFX или Gigabit Ethernet, необходимыми для подключения высокоскоростного оборудования и обеспечивающими дополнительную гибкость коммутатору. DES-3226S имеет 24 порта 10/100 Мбит/с, поддерживающие автоопределение скорости и режима передачи данных. Дополнительные модули с 2-мя оптическими портами Fast Ethernet, а также оптическими или медными портами Gigabit Ethernet устанавливается в свободный слот, находящийся на передней панели коммутатора. Высокопроизводительные модули применяются для подключения коммутатора к серверам или магистрали предприятия. Архитектура DES-3226S обеспечивает неблокирующую коммутацию потока данных с режимом коммутации store-and-forward. Размеры и питание Питание - 100-240VAC, 50/60Hz Потребляемая мощность - 30-42 Watts (max.) Габаритные размеры - 441 x 388 x 66 mm 19" - для установки в шкаф, 1.5U высота, вес 6 kg.

Принтер

Принтер HP LaserJet 1018, лазерный, черно-белый, A4, 600 x 600 dpi, 12 стр/мин, 2 МБ, USB 2.0

Производитель HP. Модель LaserJet 1018. Тип устройства черно-белый лазерный принтер. Тип печати лазерная печать. Формат (макс.) A4. Скорость печати (макс.) 12 стр/мин. Ёмкость 150 листов. Выход первой страницы 10 сек. Ежемесячная нагрузка до 3000 страниц. Дополнительные характеристики. Процессор RISC • 234 МГц. Оперативная память 2 МБ. Разрешение 600 x 600 dpi Скорость 12 стр/мин. Поддерживаемые материалы бумага: A4, A5, A6 почтовые открытки конверты. Системные требования (мин.) MS Windows 98SE/ME/2000/XP • Intel Pentium 90 МГц • HDD 120 МБ Тип подключения USB Интерфейсы USB 2.0. (4530 р.)

Источник бесперебойного питания Ippon BACK COMFO PRO 800 black.

Back Comfo Pro - новый, очень удобный источник бесперебойного питания для домашних и корпоративных пользователей. Есть модели мощностью 400, 600 и 800 VA. Для удобства пользователей Back Comfo Pro имеет 2 дополнительные евроразетки. Кроме того, для подключения к компьютеру имеется как стандартный, так и USB-порт. Вместе с UPS поставляется русифицированое програмное обеспечение WinPower2003, которое позволяет эффективно контролировать все параметры работы источников бесперебойного питания. Поддерживаемая мощность: 800 VA (480 Вт). Описание модели: Back Comfo Pro 800. Выходной сигнал: аппроксимированная синусоида. Время перехода на батарею: 2-6 мс. Общее количество выходных розеток: 4 компьютерные розетки, 2 бытовые евророзетки. Пороги перехода на батареи: 220 Вт +20% и -30%. Частота: 50 Гц (автоматическое определение). Коммуникационный интерфейс: RS-232/USB Защита линий передачи: Да. Время подзарядки батарей: до 90% за 8 часов после полной разрядки. Спецификация заменяемых батарей: Герметичная свинцовая батарея из 6 элементов. Время работы в резервном режиме: от 5 до 30 мин. Программное обеспечение: Полностью русифицированное программное обеспечение WinPower2003. Поддерживает Windows 95/98/NT/2000/XP, Novell и Linux. Размеры и вес: 300 x 124 x 210 мм. Вес: 7 кг.

4. Выбор сетевого программного обеспечения

4.1 Выбор сетевой операционной системы

Большое разнообразие типов компьютеров, используемых в вычислительных сетях, влечет за собой разнообразие операционных систем: для рабочих станций, для серверов сетей уровня отдела и серверов уровня предприятия в целом. К ним могут предъявляться различные требования по производительности и функциональным возможностям, желательно, чтобы они обладали свойством совместимости, которое позволило бы обеспечить совместную работу различных ОС.

Сетевые ОС могут быть разделены на две группы: масштаба отдела и масштаба предприятия. ОС для отделов или рабочих групп обеспечивают набор сетевых сервисов, включая разделение файлов, приложений и принтеров. Они также должны обеспечивать свойства отказоустойчивости, например, работать с RAID-массивами, поддерживать кластерные архитектуры.

Грид-технологии в медицине 📙 Курсовая → 🆔 66734