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18.09.1998 - 

Anwendungen Multimediale Patientenakte via Web und postrelationaler Datenbank

OLTP und Multimedia-Daten unter einen Hut gebracht

Medos-System, ein Informationssystem für medizinische Fachabteilungen und Krankenhäuser, wurde vor 20 Jahren mit der speziell für medizinische Anwendungen entwickelten ANSI- und ISO-normierten Programmiersprache Mumps und der zugehörigen Datenbank DSM11 (Digital Standard Mumps für die "PDP11") geschaffen.

Zwar war aufgrund der Systemstruktur über einen Zeitraum von mehr als 15 Jahren kein generelles Redesign erforderlich. Dennoch wurde der Weiterentwicklung von Hardware und Betriebssystemen jeweils Rechnung getragen und weitere Systemplattformen wie zum Beispiel DEC Microvax (mit VAX/DSM unter VMS) oder Unix-Systeme (mit MSM-Unix unter HP-UX oder IBM-AIX) unterstützt.

Die hohe Perfomance und die integrierten Multiuser-/Multi- tasking-Fähigkeit von MSM erlaubten darüber hinaus auch eine kostengünstige Variante unter dem Betriebssystem DOS, beginnend mit einem 386er-PC-System. Diese Linie wurde auch durch die schnelle Leistungssteigerung der Intel-Prozessoren begünstigt. So erlaubt am Städtischen Krankenhaus in Wismar der eingesetzte Pentium-Rechner mit 100 MHz Taktrate und 64 MB Memory den gleichzeitigen Zugriff auf den 12 GB großen Datenbestand durch 130 Benutzer. Derartige User-Zahlen sind natürlich nur mit einem CharakterUserInterface (CUI), besser bekannt unter dem Begriff "ASCII-Oberfläche", möglich.

Warum Intranet-Web-Technologie?

Nachdem mit Windows 95 ein 32-bit-Betriebssystem für Clients verfügbar war, beschäftigten wir uns intensiv mit der Entwicklung einer grafischen Oberfläche. Erste Draft-Entwicklungen mit einer klassischen Client-Server-Technologie zeigten aber auch die Konflikte durch Windows-95-Clients auf, die eine stabile und schnelle Ablauffähigkeit der Medos-Client-Software stören oder zumindest beeinflussen können. Beispielsweise können nachträgliche Versionsänderungen des Betriebssystems, der Netzcontroller oder zum Beispiel der Grafikkarten zu Problemen bei der Ablauffähigkeit der Software führen. Darüber hinaus konnten sich unterschiedliche Applikationen paralysieren, wenn die gleichen Standardkomponenten benutzt und gegebenenfalls verändert werden (zum Beispiel die "normal.dot" bei der Integration von MS-Word). Da Windows-95- Clients ungeschützt sind, können nicht nur Viren, sondern auch normale Softwarefehler in Fremdprogrammen die Anwendung zerstören. Auch stellt die netzweite Verteilung von Software-Patchens ein Problem dar, da diese auf allen Clients zum gleichen Zeitpunkt verfügbar sein müssen.

Öffnung der Kommunikation

Als die ersten Studien der Gartner Group zum Thema "Total Cost of Ownership" veröffentlicht wurden, erkannten wir, daß wir uns nicht nur mit der Entwicklung einer grafischen Oberfläche beschäftigen mußten, vielmehr bedurfte es der Entwicklung einer völlig neuen Produktgeneration, die auch den Einsatz von Thin Clients ermöglicht und die auf der Basis der Intranet-Web-Technologie basieren mußte. Es war zudem klar, daß für die neue Produktgeneration das Betriebssystem Windows NT vorteilhaft war, um eine einheitliche Systemumgebung für Server und Clients einsetzen zu können.

Wir hatten die Intranet-Web-Technologie gewählt, weil es im Intranet keine besonderen Sicherheitsprobleme zum Beispiel mit Active-X-Controls und keine Bandbreitenprobleme des Netzes gibt. Zudem werden die skizzierten Probleme der klassischen Client-Server-Architektur vermieden (Rezentralisierung), ohne auf die Vorteile der Nutzung lokaler PC-Ressourcen zu verzichten (Active-X-Technologie). Zudem halten wir den Web-Browser für eine ideale Oberfläche, da sie endlich einen einheitlichen, standardisierten Zugang zu sämtlichen Informationssystemen in einem Krankenhaus ermöglicht. Und das bei gleichzeitiger Öffnung der Kommunikation (Firewall) zu externen Bereichen, wie zum Beispiel zu mitbehandelnden niedergelassenen Ärzten oder anderen Krankenhäusern (Telemedizin).

Schnelles und skalierbares System

Die Intranet-Web-Technologie war gleichzeitig eine ideale Plattform für die multimediale elektronische Patientenakte. Diese galt als Voraussetzung dafür, die steigenden Anforderungen an die Kommunikation im Sinne der Telemedizin zu berücksichtigen.

Nach Klärung der genannten Rahmenbedingungen und Basisanforderungen wurde die Frage der "idealen Datenbank" sehr intensiv diskutiert.

Die wichtigste Forderung im Jahrzehnt der GUI- und Web-basierten Datenverarbeitung war, daß auf dieser unter Windows NT einzusetzenden Datenbank unsere komplexe, transaktionsverarbeitende Anwendung aufgesetzt werden konnte, ohne daß Einbußen in der Systemgeschwindigkeit zu befürchten oder durch massiven Hardware-Ausbau zu kompensieren waren.

Eine weitere Anforderung war die Skalierbarkeit, da zum Beispiel eine Arztpraxis andere Anforderungen hat als eine einzelne Krankenhausabteilung oder ein vollständiges umfassendes Krankenhaus-Kommunikationssystem.

Es war klar, daß die Wahl des Datenbankmodells für den erfolgreichen Einsatz entscheidend war.

Ein Spezifikum der Medos-Anwendung ist, daß die Anwender über bereitgestellte Menü-, Organisationsstruktur- und Maskengeneratoren die Datenbank selbst erweitern und die Relationen selbst definieren können. Das relationale Datenmodell ist zwar weit verbreitet, einfach zu verstehen und anzuwenden, kann aber mit den angestrebten komplexen Datenstrukturen innerhalb einer multimedialen elektronischen Patientenakte nicht effektiv umgehen. Es galt also, sorgfältig die Vor- und Nachteile neuer Datenbankmodelle zu analysieren und moderne Produkte hinsichtlich der Systemgeschwindigkeit, Stabilität und Langzeitverfügbarkeit zu bewerten.

Bei der Analyse zeigte sich, daß man sich heute hinsichtlich der Restriktionen des relationalen Modells zwar einig ist, aber sich noch über das richtige Nachfolgemodell streitet. Zur Diskussion stehen nach der Studie des Gartner Consulting Service von John Simocox (Dataquest 1997), aus der wir nachfolgend zitieren, die Universal Database, wobei der Begriff "Database" oft durch den des "Servers" ersetzt wird.

Letztendlich steht aber hinter dem besonders von Oracle und Informix geprägten Begriff eine RDBMS-Maschine (RDBMS= relationales Datenbank Management-System), die um Funktionen erweitert wurde, um komplexere Datentypen zu handhaben. Die Erweiterungsfunktionalität und die Effizienz variiert von Anbieter zu Anbieter. Die oft propagierten objektrelationalen Datenbanken halten wir für eine Kompromißlösung. Die relationalen Systeme sind mittlerweile an den Grenzen der Leistungsfähigkeit angelangt.

Java hat Zukunft

Für die Anbieter relationaler Systeme sind die Vorteile der multidimensionalen Technologie schwer nachzuahmen, höchstens durch ein grundlegendes Redesign. Des weiteren bietet sich die objektorientierte Datenbank an. Das ist wohl der meist diskutierte Lösungsansatz in der Literatur. Wahrscheinlich werden sich die rein objektorientierten Datenbanken nur in speziellen Randbereichen durchsetzen.

Postrelationale Datenbanken sind ein vielversprechender Lösungsansatz, der die Handhabung eines mehrdimensionalen Datenmodells mit multiplen Zugriffsverfahren (direkt, SQL und objektorientiert) in einer skalierbaren Client-Server-Umgebung erlaubt. Der Begriff "postrelational" läßt sich nicht exakt zuordnen, er bezeichnet vielmehr eine neue Gattung von Datenbanken, die durch eine Weiterentwicklung der existierenden Paradigmen entstanden sind.

Wir haben uns nach der Evaluierung für das postrelationale Datenbank-Management-System Cache von Inter Systems entschieden, und zwar unter anderem aus folgenden Gründen:

Inter Systems gehört mit über 35000 weltweit installierten Systemen zu den erfolgreichen Datenbankherstellern mit einer Erfahrung von 20 Jahren. Darüber hinaus hat das Softwarehaus mit dem Kauf der M-Datenbank VAX/DSM von Digital Erfahrungen mit unserer bisher eingesetzten Datenbank und konnte Migrations-Tools bereitstellen. Die Datenbank Cache kann mit einer Vielzahl von Entwicklungsumgebungen zusammenarbeiten und erlaubt es, parallel Java, Visual Basic, M, C und C++ einzusetzen.

Obwohl wir derzeit auf den Einsatz von Java in der neuen Produktgeneration verzichtet haben, war Java als Zugriffssprache sehr wichtig. Nach Konsolidierung der neuen Plattform soll auch mit Java eine akzeptable Performance erreicht werden. Wir haben den "Cache Java Server" nicht verwendet, sondern arbeiten mit dem "Cache Objekt Server" (Active-X/OLE).

Das Tuning der Datenbankzugriffe durch einen Direktzugriff löste die Performance-Probleme bei grafischen Oberflächen mit der Intranet-Web-Technologie und führt grundsätzlich zu einem guten Antwortzeitverhalten bei komplexen Transaktionen.

Obwohl derzeit noch nicht von Inter Systems freigegeben, halten wir die geplante und noch 1998 zu realisierende Ergänzung beziehungsweise Ablösung der SQL-Zugriffe durch Zugriffe der Objekttechnologie für so interessant, daß wir diese wichtige Entwicklung abwarten.

Die Nutzung der multidimensionalen Datenbank mit relationalen Mitteln stellt besonders in der Übergangszeit eine Sicherheit für unsere Anwender dar.

Die Leistung bei der Online-Transaktionsverarbeitung ist sehr gut. Erreicht wird sie durch eine multidimensionale Datenbank-Engine, die durch Sparse Storage-Mechanismen speziell für OLTP optimiert wurde.

Die wichtige Frage der Skalierbarkeit konnte ebenfalls befriedigend beantwortet werden. Cache baut auf dem Distributed Cache Protocol (DCP) auf, das Zehntausende von Anwendern beim Zugriff auf vernetzte Rechnerumgebungen unterstützt. Bei Partners Healthcare in Boston wird diese Technologie in einem ständig wachsenden PC-basierten Netzwerk mit derzeit über 8500 Clients eingesetzt. Das Netz ist für eine Ausweitung auf bis zu 50000 Clients projektiert und damit das international größte PC-Client-Server-Netzwerk mit integrierter Datenbank.

Die Unterstützung komplexer Anwendungen erfolgt durch eine umfassende Implementierung der Objekttechnologie einschließlich Mehrfachvererbung, Kapselung und Polymorphismus.

Die Entwicklung der multimedialen elektronischen Patientenakte auf der Basis der IntranetWeb-Technologie (Medos im Web-Browser mit GUI) einschließlich einer integrierten Dokumentenverwaltung sowie eines digitalen Bildarchivs und eines digitalen Diktiersystems mit optionaler Spracherkennung wurde abgeschlossen.

So wurden innerhalb von nur sechs Monaten bereits über zehn Prozent der Installationen mit insgesamt 850 Usern erfolgreich umgestellt. Die Anwender sind mit dem Antwortzeitverhalten sehr zufrieden und die Systeme laufen mit der gewohnten Stabilität.

Angeklickt

Das Medos-System, ein Informationssystem für medizinische Fachabteilungen und Krankenhäuser, ist mittlerweile in die Jahre gekommen. Patientenakten enthalten heutzutage nämlich nicht nur die ärztlichen Berichte, sondern auch Röntgenbilder und andere multimediale Dokumente. Es war in den letzten 15 Jahren zwar kein generelles Re-Design nötig geworden, aber das System mußte den Entwicklungen angepaßt werden. Dabei stellte sich heraus, daß der Erfolg des Projektes entscheidend von der Wahl des richtigen Datenbanksystems abhing. Die Verantwortlichen entschieden sich für ein postrelationales Datenbank-Management-System von Inter Systems.

Horst-Dieter Strüter ist Geschäftsführer der Medos Beratungsgesellschaft mbH in Langenselbold.