Fujifilm verbessert die diagnostische CT-Bildgebung

Fujifilm Medical Solutions Co., Ltd. ist ein japanischer Lösungsanbieter für Bildarchivierungs- und Kommunikationssysteme (Picture Archiving and Communications Systems, PACS), Radiologie-Informationssysteme (RIS) und Therapie-Radiologie-Informationssysteme (Therapie-RIS) für medizinische Bildgebungs- und Diagnostikverfahren weltweit. Fujifilm Medical Solution bietet umfassende Dienstleistungen, die von der IT-Beratung im Gesundheitswesen bis zur Systementwicklung, -bereitstellung und -wartung reichen.

Die heutigen modernen diagnostischen medizinischen Bildgebungsgeräte wie CT, MRT und CR bieten hochauflösende Bilder und schaffen so bessere Tools für die radiologische Diagnose. Bildgebung bietet effektive nicht-invasive Methoden und wird zunehmend von Ärzten verwendet. Dadurch steigt die Anzahl der Bilder, die Radiologen überprüfen müssen.

CT- oder MRT-Scans können durchschnittlich bis zu ein paar hundert Bilder pro Untersuchung erzeugen; wenn die Untersuchung Dünnschichtbilder enthält, können mehrere Tausend bis fast Zehntausend erzeugt werden. Je höher die Anzahl der Bilder, desto höher ist die Belastung für Radiologen in Bezug auf das Lesen und Diagnostizieren, um Ärzte und ihre Patienten rechtzeitig zu unterstützen.

„Radiologen müssen alle relevanten Läsionen genau erkennen und gleichzeitig große Mengen an CT-Bildern effizient lesen“, so Hideki Matsuura von Fujifilm Medical Solutions.

Um ein Bild anzuzeigen, werden Daten vom Server gelesen und auf dem Client-PC des Radiologen über eine Bilddiagnose-Workstation angezeigt. Latenzen beim Lesen und Verarbeiten von Daten vom Bildgebungsserver auf der Workstation können die Zeit bis zur Diagnose verzögern. Da Tausende von Bildern überprüft werden müssen, wirken sich die Reaktionszeiten auf die Fähigkeit der Radiologen aus, Patientenbewertungen zeitnah abzuschließen.

Herausforderung

• Radiologen müssen täglich immer mehr Bilder und Patientenfälle lesen und diagnostizieren.
• Langsame Bildanzeige, Überlastung des Kommunikationsdurchsatzes und Anwendungsverarbeitungszeiten verzögern die Diagnose.

Lösung

• Upgrade von Fujifilm Medical Solutions ShadeQuest Integrated Image Information Server mit Intel® Xeon® Silver Prozessoren und Intel® Optane™ SSD DC P4800X Laufwerken
• Upgrade von Fujifilm Medical Information Solutions ShadeQuest/ViewR-DG Image Diagnosis Workstation mit Intel® Core™ i7 Prozessoren und Intel® Optane™ SSD 900P Laufwerken

Ergebnis

• Reduzierung der Lese- und Anzeigezeiten von Dateien um das 18-Fache¹
• Erhöhung der täglichen Anzahl der diagnostizierten Patienten durch eine beschleunigte Bildanzeige
• Verbesserung der Früherkennungsraten von Krankheiten

Um die Reaktionszeiten im gesamten System zu verbessern, hat Fujifilm Medical Solutions neue Technologien eingeführt, die die Leistung steigern und Latenzen reduzieren, z. B. die parallele Verarbeitung mit Multicore-Prozessoren und Read-ahead-Funktionen. Ein Teil der Lösung liegt in Speichertechnologien, bei denen Latenzen von Festplatten bekanntermaßen zu Datenübertragungsengpässen führen. Fujifilm nutzte die Intel® Optane™ Technik zur Verbesserung der Leistung beim Datenzugriff. Durch Validierungstests bewerteten sie den Leistungsvorteil der Intel Optane Technik im Vergleich zu herkömmlichen Festplatten und SSDs.

Bis zu 25x¹ schnellere Datenlesezeiten mit Intel® Optane™ SSDs
Um die Vorteile der Intel® Optane™ Speichertechnik zu bewerten, führten die Ingenieure von Fujifilm im Mai 2019 zwei Arten von Tests durch:

1. einen Nur-Lesen-Test, bei dem CT-Bilder vom Server gelesen wurden, und
2. einen Viewer-Test der Server- und Client-Workstation.

Test 1: Lesen vom Server

Der erste Test las 1.000 CT-Bilder (525 kb pro Bild, unkomprimiert) vom Server. Die Latenzen wurden gemessen und zwischen der Verwendung herkömmlicher SAS-Festplatten und Intel Optane SSD DC P4800X Laufwerken im Server verglichen (siehe Tabelle 1). Um den Einfluss der Schreibleistung auszuschließen, wurden zwei Testmuster eingesetzt: ein Test mit dem Linux-Befehl cat zum Lesen und ein Test mit dem tatsächlichen Bildübermittlungsprotokoll (YITL-Kommunikation) zum Lesen. Die Tests ergaben Folgendes (siehe Abbildung 1)¹:

• Bis zu 25-mal schnellere Lesezeiten mit Intel Optane SSD DC P4800X Laufwerken mit dem cat-Befehl
• Bis zu 19-mal schnellere Geschwindigkeit beim Lesen und bei der Bildübermittlung mit Intel Optane SSD DC P4800X Laufwerken
• Bis zu 2,3-mal schnellere Geschwindigkeit beim Lesen und bei der Bildübermittlung für zwei Server, die über ein 1-GbE-Netzwerk verbunden sind (die Beschleunigung ist im Vergleich zum ersten Test aufgrund von Anwendungsengpässen begrenzt)

Abbildung 1: Test 1: Lesen vom Server.

Tabelle 1: Systemkomponenten für Test 1.

Test 2: Server-Viewer-Test

Der zweite Test las nacheinander 1.500 Bilder (173 kb pro Bild, komprimiert) und zeigte sie auf dem Client an. Die Zeit wurde vom ersten Aufruf des ersten Bildes bis zur Fertigstellung des letzten Bildes auf der Anzeige gemessen. Verschiedene Konfigurationen wurden wie folgt verglichen, einschließlich Single- und Multithread-Versionen der Serveranwendungen (siehe Tabelle 2):

• Die Basiskonfiguration für Single- und Multithread-Vergleiche umfasste einen Server mit älteren Festplatten und einen Client mit herkömmlichen SSDs (Wert 1,0)
• Basiskonfiguration für Single-Thread-Server mit Client-Workstation mit Intel Optane SSD 900P Laufwerken
• Basiskonfiguration für Multi-Thread-Server mit Client-Workstation mit Intel Optane SSD 900P Laufwerken
• Single-Thread-Server mit Intel Optane SSD DC P4800X Laufwerken und Client-Workstation mit Intel Optane SSD 900P Laufwerken
• Multi-Thread-Server mit Intel Optane SSD DC P4800X Laufwerken und Client-Workstation mit Intel Optane SSD 900P Laufwerken

Die Tests ergaben die folgenden Verbesserungen¹:

• Bis zu 1,2-mal schnellere Fertigstellung für Single-Thread-Basisserver mit Intel Optane SSD 900P Laufwerken im Client
• Bis zu 7,5-mal schnellere Fertigstellung für Multi-Thread-Basisserver mit Intel Optane SSD 900P Laufwerken im Client
• Bis zu 10,6-mal schnellere Fertigstellung für Single-Thread-Server mit Intel Optane SSD DC P4800X Laufwerken und Intel Optane SSD 900P Laufwerken im Client
• Bis zu 18,9-mal schnellere Fertigstellung für Multi-Thread-Server mit Intel Optane SSD DC P4800X Laufwerken und Intel Optane SSD 900P Laufwerken im Client
• Bei einer Basisserverkonfiguration war die Fertigstellung bis zu 1,42-mal schneller, wenn die Client-SATA-SSD-Konfiguration mit dem Client mit Intel Optane SSD 900P Laufwerken verglichen wurde (in der Tabelle nicht dargestellt).

Abbildung 2: Test 2: Server-Viewer-Test (Fixieren von Intel® Optane™ SSD 900P auf der Client-Seite).

Tabelle 2: Systemkomponenten für Test 2.

Reduzierung der Bildanzeigezeiten helfen bei der Bereitstellung besserer Gesundheitsdienste.

Die Ergebnisse von Test 1 und Test 2 zeigen eine signifikante Verbesserung bei Verwendung von Intel Optane SSDs.

„Wenn wir schnelle Ergebnisse sehen möchten, wäre die Verwendung auf dem Client eine Option“, so Keishi Yoshimura von Fujifilm Medical Solutions. „Wenn wir jedoch größere Verbesserungen sehen möchten, wäre es angemessener, sie auf dem Server zu verwenden.“

Laut Yoshimura bedeutet die Verwendung von PACS eine große Menge an Bildern. Der realistische Ansatz wäre daher, Intel Optane SSDs als Cache als und nicht als Serverspeicher zu verwenden. Wie häufig auf Bilder für PACS zugegriffen wird, hängt vom Datum der medizinischen Untersuchung, dem Zustand des Patienten, den Krankenhauseinweisungen und den ambulanten Leistungen ab. Die Lösung benötigt zusätzliche eingebettete Logik, um Bilder im Voraus in Intel Optane SSDs zu speichern und sie effizienter in der Anwendung zu verwenden.

Die Testergebnisse zeigen, dass Anwendungen und Netzwerke zusätzliche typische Engpässe darstellen. Designer erwägen Codemodifikationen an der Anwendung und die Migration der Lösung auf ein 10-GbE-Netzwerk, um die Leistung zu verbessern.

„Mit Hilfe der Intel® Optane™ Technik konnte jedes Bild genau angezeigt und die Reaktionsleistung für die Bildanalyse von Radiologen verbessert werden“, fügt Matsuura hinzu. „Wenn Bilder nur fünf Sekunden schneller pro Untersuchung angezeigt werden, kann der Arzt mehr Patienten behandeln, was wiederum die Gebühren für den medizinischen Service für das Krankenhaus erhöht.“

Nach der obigen Analyse erwägt Fujifilm Medical Solutions die Implementierung einer abgestuften Speicherarchitektur mit einem Server-Cache für die Anwendung auf PACS-Produkte und deren Bereitstellung.

„Wir erwarten, Intel zur Optimierung des gesamten Systems, einschließlich Prozessoren und Netzwerken, einzusetzen“, so Yoshimura. „Wir würden gerne mehr Produktvarianten mit Intel Optane SSDs sehen, damit wir mehr Auswahl haben.“

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