Ứng dụng mạng de bruijn nhắm thiết kế mạng lưu trữ, truyền tải dữ liệu hình ảnh dicom phục vụ chẩn đoán từ xa và bệnh án điện tử

HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---o0o--- NGUYỄN CHÍ NGỌC ỨNG DỤNG MẠNG DE BRUIJN NHẰM THIẾT KẾ MẠNG LƯU TRỮ, TRUYỀN TẢI DỮ LIỆU HÌNH ẢNH DICOM PHỤC VỤ CHẨN ĐOÁN TỪ XA VÀ BỆNH ÁN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-o0o -

NGUYỄN CHÍ NGỌC

ỨNG DỤNG MẠNG DE BRUIJN NHẰM THIẾT KẾ MẠNG LƯU TRỮ, TRUYỀN TẢI DỮ LIỆU HÌNH ẢNH DICOM PHỤC

VỤ CHẨN ĐOÁN TỪ XA VÀ BỆNH ÁN ĐIỆN TỬ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Tuấn Đức

Phản biện 3: GS TS Lê Tiến Thường

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 GS TS Vũ Đình Thành

2

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có)

đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Chữ ký

Nguyễn Chí Ngọc

ii

TÓM TẮT

Hiện tại Việt Nam và các nước phát triển đều bị quá tải ngành y tế mà đặc biệt là lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh Nguyên nhân là do sự mất cân bằng nguồn nhân lực chất lượng cao giữa bệnh viện tuyến tỉnh, tuyến huyện và bệnh viện hạt nhân, bên cạnh đó cũng phải

kể đến sự bùng nổ ứng dụng các trang thiết bị chẩn đoán hình ảnh kỹ thuật cao của ngành

y tế Để hỗ trợ giảm tải trên lĩnh vực này, ta cần thiết lập một mạng chẩn đoán từ xa cho

X Quang/CT/MRI/Siêu âm (gọi tắt là Teleradiology) qua Internet

Do yêu cầu của chuẩn DICOM về cố định địa chỉ, AETitle, giao thức RPC và để thiết lập mạng Teleradiology qua Internet mà không can thiệp vào thiết kế các lớp 1,2,3 của

mô hình TCP/IP, thì ta cần một lớp mạng logic (lớp 4) quản lý bên trên mạng vật lý TCP/IP Đến thời điểm hiện tại, các nhà nghiên cứu chỉ tập trung nghiên cứu ứng dụng mạng De Bruijn làm mạng logic cho mạng cáp quang, VLSI mà chưa mở rộng ứng dụng đến mạng chẩn đoán từ xa cho Teleradiology Trong luận án tiến sĩ này, đầu tiên tôi thực hiện các nghiên cứu chuyên sâu trên mạng De Bruijn và đưa ra các cải tiến giải thuật định tuyến của các nhà nghiên cứu khác (Liu, Mao, Samantham và Pradhan) Sau đó tôi có đề xuất mô hình mạng MHC(d,k), đây là mạng được kiến trúc dựa trên mạng De Bruijn và mạng TCP/IP ứng dụng cho chẩn đoán từ xa Teleradiology Mạng MHC(d,k) này cũng

có thể ứng dụng cho mô hình cân bằng tải cho việc truyền tải và lưu trữ dữ liệu phục vụ bệnh án điện tử

Do nghiên cứu ứng dụng mạng De Bruijn làm mạng logic cho mạng chẩn đoán từ xa Teleradiology là lĩnh vực mới, nên các nghiên cứu về việc định tuyến trong lĩnh vực này vẫn chưa được khai thác Trong luận án này, tôi cũng đề xuất các giải thuật định tuyến trên mạng MHC(d,k), dựa trên nền mạng logic De Bruijn, trong điều kiện các đường dẫn mạng đồng nhất, không đồng nhất và có lỗi

iii

ABSTRACT

At present, Vietnam and developing countries are overloadded with health care, especially in radiology diagnosis It is because of the unbalanced of high quality human resource in health between central hospitals and provincial/district hospitals Beside it, the blooming of applying high technical radiology system has to be counted To help reduce the load on this area, we need to setup a remote radiology diagnostic network for

X Ray/CT/MRI/Ultrasound (teleradiology) via the Internet

Due to the requirements of the DICOM standard (fixed addressing, AETitle and RPC protocol) and to establish teleradiology over the Internet without interfering the Layers 1,2,3 of TCP/IP scheme, we need to establish a logical topology (on layer 4) above the underlying physical TCP/IP Up to now, researchers have focused their works on applying De Bruijn as logical networks for VLSI and optical network Hence, there is no research on applying De Bruijn network as a logical network for Teleradiology yet In this thesis, I first conducted in-depth research on De Bruijn network and made improvements to the routing algorithms on De Bruijn network of other researchers (Liu, Mao, Samantham and Pradhan) I then proposed the MHC(d,k) network model, which is based on De Bruijn network and TCP/IP network for remote diagnosis of teleradiology This MHC(d,k) network can also be applied to a load balancing model for the transmission and storage of Electronic Medical Record (EMR)

Because researchs on applying De Bruijn network as a logical topology for Teleradiology are new up to now, hence there is lacking of study on routing algorithm for this field In this thesis, I also propose routing algorithms on MHC(d,k) network, which is based on De Bruijn network, in term of uniform link, non uniform link and failure link

iv

LỜI CÁM ƠN

Như cố tổng thống Francois Mitterrand đã từng nói: “Người ta sẽ trưởng thành khi bước qua ngưỡng cửa của trường đại học “ Mặc dù đã bước qua ngưỡng cửa của Đại học, và qua giai đoạn nghiên cứu sinh này, em cảm thấy mình thực sự trưởng thành: trưởng thành trong tư duy nghiên cứu khoa học gắn với thực tiễn, nhu cầu xã hội; trưởng thành và chín chắn hơn trong nhìn nhận sự việc; khéo léo và tế nhị hơn trong cách ứng

xử và quan hệ với mọi người Và tất cả các kết quả đạt được trên là nhờ sự đôn đốc, giúp

đỡ và cũng như làm gương của thầy hướng dẫn – GS TS Vũ Đình Thành Em xin chân thành cám ơn thầy

Ngoài ra em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô tại bộ môn Viễn Thông và khoa Điện Điện tử - GS TS Lê Tiến Thường, ThS Nguyễn Thanh Tuấn và các thầy cô khác Các thầy cô đã tạo điều kiện giúp đỡ để em có thể hoàn thành được luận án tiến sĩ với kết quả tốt nhất Và tôi cũng xin cám ơn các anh chị em trong công ty iNext Technology đã giúp tôi trong quá trình khảo sát và mô phỏng tại các bệnh viện thực

tế

Cuối cùng con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến bố, mẹ và gia đình Nhờ sự hỗ trợ không ngừng nghỉ của bố mẹ mà con đã vượt qua tất cả những khó khăn trong quá trình từ đề xuất ý tưởng nghiên cứu, triển khai nghiên cứu tại phòng thí nghiệm và ứng dụng thực tế những kết quả nghiên cứu ra bệnh viện Con xin chân thành cảm ơn

v

MỤC LỤC

TÓM TẮT ii

LỜI CÁM ƠN iv

DANH SÁCH HÌNH vii

DANH SÁCH BẢNG ix

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT x

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1

CHƯƠNG 2: CÁC KIẾN THỨC CĂN BẢN 10

2.1 Tổng quan về mạng De Bruijn 10

2.1.1 Họ mạng De Bruijn truyền thống 10

2.1.1.1 Đại số hóa mạng De Bruijn 10

2.1.1.1.1 Định nghĩa sử dụng chuỗi 10

2.1.1.1.2 Định nghĩa sử dụng line digraph iteration (đồ thị hướng tuyến tính xấp xỉ) 11

2.1.1.1.3 Định nghĩa từ phép đồng dư 12

2.1.1.1.4 Thuộc tính của ma trận kế cận 12

2.1.1.1.5 Đồ thị Bruijn hai hướng (vô hướng dBG) 12

2.1.1.2 Tổng quát hóa đồ thị Bruijn 14

2.1.2 Các nghiên cứu trên mạng De Bruijn đã được thực hiện trước đây 15

2.2 Chuẩn DICOM 17

2.3 Bệnh án điện tử 21

CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN TRÊN MẠNG DE BRUIJN dBG(d,k) 25

3.1 Đề xuất cải tiến các giải thuật định tuyến trên mạng De Bruijn 25

3.2 Phân tích và đánh giá kết quả của các lý thuyết đề xuất 32

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MẠNG DE BRUIJN dBG(d,k) ĐỂ ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH MẠNG ỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN TỪ XA VÀ BỆNH ÁN ĐIỆN TỬ EMR/HMR 38

4.1 Teleradiology (Chẩn đoán từ xa cho X Quang, CT, MRI và DSA) tại Việt Nam và trên thế giới 38

4.2 Các thách thức công nghệ cần giải quyết 41

4.3 Mô hình mạng đề xuất 43

4.4 Thuộc tính của mô hình mạng đề xuất 47

CHƯƠNG 5: GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN TRÊN MẠNG CHẨN ĐOÁN TỪ XA MHC(D,K) 52

vi

5.1 Giải thuật định tuyến trên mạng MHC(d,k) trong trường hợp mạng không đồng nhất (tồn

tại link cost) và có lỗi đường truyền 52

5.2 Đánh giá kết quả bằng thực hiện mô phỏng với số liệu thực tại các bệnh viện 57

5.2.1 Mô hình mạng 57

5.2.2 Giải thuật cần thực hiện mô phỏng 57

5.3 Khảo sát tại các bệnh viện thực hiện mô phỏng 57

5.3.1 Bệnh viện Nhi Đồng 1 57

5.3.2 Bệnh viện Nhân dân Gia Định 58

5.3.3 Bệnh viện Bình Dân 59

5.3.4 Bệnh viện quận Thủ Đức 60

5.3.5 Bệnh viện đa khoa Đồng Tháp 62

5.3.6 Bệnh viện đa khoa Sa đéc 63

5.3.7 Bệnh viện đa khoa Tam Nông 65

5.3.8 Bệnh viện đa khoa Hồng Ngự 66

5.4 Phần mềm sử dụng trong mô phỏng 67

5.5 Cấu hình mẫu cho việc truyền dữ liệu từ bệnh viện A về bệnh viện B 73

5.5.1 Đặt địa chỉ IP 73

5.5.2.Cấu hình FPT server và import file mẫu 74

5.5.3.Cấu hình router từ bệnh viện A qua bệnh viện B 75

5.6 Mô hình mô phỏng và kết quả 76

5.6.1 Phương pháp tính trọng số 76

5.6.2 Mô hình mô phỏng 78

5.6.3 Kết quả 79

5.6.3.1 Kết quả mô phỏng trên mạng MHC 79

5.6.3.2 Kết quả mô phỏng trên mạng TCP/IP truyền thống 88

5.7 Độ phức tạp của giải thuật 91

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 92

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

vii

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1 - 1 Minh hoạ Teleradiology 1

Hình 1 - 2 Mô hình gửi dữ liệu dạng tập trung cho Teleradiology 4

Hình 1 - 3 Mô hình kết nối phân tầng 5

Hình 2 - 1 Mạng De Bruijn bậc 2 11

Hình 2 - 2 Mạng De Bruijn 02 hướng BdBG(2,4) 13

Hình 2 - 3 Mạng De Bruijn 02 hướng BdBG(2,3) 16

Hình 2 - 4 Từ phim X Quang truyền thống sang ảnh số DICOM 17

Hình 2 - 5 Các thiết bị tạo, lưu trữ và truyền ảnh DICOM 18

Hình 2 - 6 Ảnh DICOM xem trên máy tính 19

Hình 2 - 7 Các thành phần của hệ thống chẩn đoán hình ảnh 20

Hình 3 - 1 Các trường hợp đường đi ngắn nhất trên mạng De Bruijn 29

Hình 3 - 2 Giải thuật tìm đường đi ngắn nhất MTR trên mạng De Bruijn 32

Hình 3 - 3 So sánh các giải thuật định tuyến trong trường hợp De Bruijn bậc 2 35

Hình 3 - 4 So sánh các giải thuật định tuyến trong trường hợp De Bruijn bậc 3 35

Hình 3 - 5 So sánh các giải thuật định tuyến trong trường hợp De Bruijn bậc 4 36

Hình 3 - 6 So sánh các giải thuật định tuyến trong trường hợp De Bruijn bậc 5 36

Hình 3 - 7 So sánh các giải thuật định tuyến trong trường hợp De Bruijn bậc 6 37

Hình 4 - 1 Teleradiology cho y tế hiện đại (nguồn emergencyradiology.net) 38

Hình 4 - 2 Mô hình kết nối phân tầng 41

Hình 4 - 3 Dung lượng luân chuyển và lưu trữ dữ liệu lớn 42

Hình 4 - 4 Hai trường hợp với link failure 42

Hình 4 - 5 Đơn giản hóa các giải thuật định tuyến 43

Hình 4 - 6 Mô hình kết nối phân tầng đề xuất 44

Hình 4 - 7 Mạng MHC(2,3) 45

Hình 5 - 1 Mạng MHC(2,3) 52

Hình 5 - 2 Giải thuật tìm đường đi ngắn nhất MHCSP trên mạng MHC(d,k) 54

Hình 5 - 3 Mạng MHC(2,3) với link fail từ 101 về 010, đường đi ngắn nhất màu xanh 55

Hình 5 - 4 Giao diện chương trình mô phỏng Packet Tracer 68

Hình 5 - 5 Thiết lập tham số 69

Hình 5 - 6 Thiết lập router 70

Hình 5 - 7 Thiết lập config 71

viii

Hình 5 - 8 Cấu hình CLI 71

Hình 5 - 9 Cấu hình Server 72

Hình 5 - 10 Các ứng dụng được hỗ trợ trên Packet Tracer 73

Hình 5 - 11 Cấu hình FTP trên Packet Tracer 75

Hình 5 - 12 Mô hình thực hiện mô phỏng trên Packet Tracer (mô hình MHC) 78

Hình 5 - 13 Mô hình thực hiện mô phỏng trên Packet Tracer (mô hình TCP/IP) 88

Hình 5 - 14 Kết quả mô phỏng 90

ix

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2 - 1 Bảng so sánh De Bruijn và K-cube 13

Bảng 3 - 1 Chiều dài đường đi trung bình của giải thuật MTR khi so sánh với giải thuật SCP, RFR, NSC và PMC trên mạng dBG(d,k) (De Bruijn network) 34

Bảng 4 - 1 So sánh một số thông số trên các topology thông dụng 46

Bảng 5 - 1 Bảng khảo sát bệnh viện Nhi Đồng 57

Bảng 5 - 2 Bảng khảo sát bệnh viện Bình Dân 59

Bảng 5 - 3 Bảng khảo sát bệnh viện quận Thủ Đức 60

Bảng 5 - 4 Bảng khảo sát bệnh viện đa khoa Đồng Tháp 62

Bảng 5 - 5 Bảng khảo sát bệnh viện đa khoa Sa Đéc 64

Bảng 5 - 6 Bảng khảo sát bệnh viện đa khoa Tam Nông 65

Bảng 5 - 7 Bảng khảo sát bệnh viện đa khoa Hồng Ngự 66

x

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AE Title Application Entity Title

BdBG Bi-direction De Bruijn Graph

BVTT Bệnh viện trung tâm

CNTT Công Nghệ Thông Tin

DIAMETER Đường kính của đồ thị

DICOM Digital Imaging and Communications In Medicine EMR Electronic Medical Record

DIGRAPH Đồ thị hai hướng

HIS Hospital Information System

HMR Hospital Medical Record

HSBA Hồ sơ bệnh án

MRI Magnetic Resonance Imaging

MTR Matched sTring Routing algorithm

xi

ROUTING Định tuyến

RPC Remote Procedure Call

SCP Short Consistent Path

Teleradiology Mạng chẩn đoán từ xa cho X Quang/CT/MRI và DSA

TTDL Trung tâm dữ liệu

TTDLHC Trung tâm dữ liệu hội chẩn

UdBG Uni-direction De Bruijn Graph

VPN Virtual Private Network

* Các chữ viết tắt là dạng hỗn hợp (Anh & Việt) do sử dụng các từ kỹ thuật theo quy ước quốc

tế và đồng thời sử dụng các từ phổ thông để giao tiếp với cơ sở địa phương khác nhau

1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Teleradiology là từ kết hợp giữa “Tele” và “Radiology”, với ý nghĩa là thực hiện các chẩn đoán từ xa cho khoa X Quang (bao gồm cả CT, MRI) Vào cuối thập kỷ 90 của thế

kỷ trước, teleradiology được sử dụng chủ yếu bởi các bác sĩ chẩn đoán hình ảnh tại các nước phát triển nhằm hỗ trợ chẩn đoán từ xa cho các ca cấp cứu, ca khó Để phục vụ cho Teleradiology, các bác sĩ cần các thông tin như tiền sử bệnh, triệu chứng lâm sàng, các hình ảnh X Quang, CT, MRI hoặc siêu âm Hãy thử hình dung, một bác sĩ ngồi tại phòng làm việc của ông ta, và chỉ với một cái nhấp chuột thì đã có tất cả thông tin cần thiết để phục vụ chẩn đoán, đó là lợi ích của Teleradiology (mô tả tại hình bên dưới)

Hình 1 - 1 Minh hoạ Teleradiology

Hiện nay, nền y tế nhiều quốc gia đã đưa vào triển khai Teleradiology bao gồm các dịch vụ chẩn đoán và điều trị bệnh từ xa với sự hỗ trợ của các công nghệ truyền thông tối tân Nga đang là một trong những nước đi đầu trong việc triển khai rộng khắp và toàn diện nhất chương trình này Ngay từ năm 1991, chính quyền các cấp và các cơ quan chức năng Nga đã áp dụng phổ biến việc "Chẩn đoán từ xa" thông qua điện đàm Điều này cho

2

phép bất cứ một bác sĩ tuyến cơ sở, dù ở khu vực xa xôi hẻo lánh đến mấy, cũng có thể liên lạc với các chuyên gia y tế đầu ngành không chỉ trong phạm vi một quốc gia mà còn

có thể tham vấn các chuyên gia nổi tiếng ở nhiều lĩnh vực trên toàn thế giới

Sự tiến bộ của Công nghệ thông tin và Viễn thông ngày nay không những cho phép truyền tức khắc những thông tin không chỉ ở dạng lời nói văn bản hoặc hình ảnh tĩnh mà còn cả những hình ảnh động như hình ảnh X Quang động, hình ảnh siêu âm, điện tâm đồ, não đồ, hình ảnh nội soi,… Chức năng hội nghị của công nghệ truyền thông cũng cho phép các bác sĩ, cùng các giáo sư chuyên gia tiến hành hội chẩn đa phương trực tuyến với

số lượng người tham gia không hạn chế Hiện tại, Teleradiology đã được áp dụng ở các nước phát triển như Anh, Mỹ, Pháp, Đức,… và bắt đầu có mặt tại các nước đang phát triển

Teleradiology đã được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây [11-15] Tại các nước phát triển, người ta dành hẳn một mạng riêng cho Teleradiology do yêu cầu nghiêm ngặt trong việc truyền dữ liệu của chuẩn DICOM [5] (là cố định địa chỉ IP, AETitle và giao thức RPC) Tại Việt Nam các nghiên cứu và ứng dụng Teleradiology như sau:

• Bệnh viện Việt Đức có dự án “Bệnh viện vệ tinh của bệnh viện Việt Đức” đã được Nhà nước và Bộ Y Tế phê duyệt từ năm 2003 đến năm 2007 Dự án bệnh viện vệ tinh cho bệnh viện Việt Đức gồm 6 bệnh viện là Việt Tiệp (Hải Phòng), Sơn Tây, Nam Định, Bắc Ninh, Phú Thọ, Thanh Hóa Ngày 5/5/2005, qua cầu truyền hình trực tiếp, bệnh viện Việt Tiệp (Hải Phòng) đã trực tiếp thực hiện thành công một ca phẫu thuật dưới sự tư vấn chuyên môn của các chuyên gia tại bệnh viện Việt Đức (Hà Nội) Giải pháp kỹ thuật này dựa trên mạng truyền dẫn cáp quang dùng riêng

• Ngày 27/2/2006, các chuyên gia của Viện tim mạch Việt Nam đã thực hiện cầu truyền hình trực tiếp với Singapore trong cuộc phẫu thuật tim mạch Cầu truyền hình được kết nối thông qua vệ tinh của công ty viễn thông quốc tế VTI

• Từ năm 2010, Bộ quốc phòng có dự án “Y học từ xa” đang triển khai tại bênh viện Trung ương quân đội 108 (Hà Nội), quân y viện 175 (Tp.HCM) và trạm y

tế huyện đảo Trường Sa Hình ảnh được truyền lên mạng theo chuẩn DICOM trên nền TCP/IP qua mạng riêng của quân đội

3

Nhận xét: chi phí để vận hành mạng viễn thông riêng này là rất đắt tiền và chưa phù hợp với tình hình kinh tế xã hội tại Việt Nam (ứng dụng cho các trường hợp thông thường, hàng ngày và trên diện rộng)

Hiện nay, tất cả các bệnh viện đều đã có kết nối Internet Vì vậy nếu hệ thống Teleradiology có thể vận hành trên mạng Internet thì sẽ góp ích rất nhiều cho việc chẩn đoán từ xa và giúp ích cho các tuyến y tế cơ sở nơi thiếu hụt đội ngũ y bác sĩ trình độ chuyên môn cao Tuy nhiên, do lượng dữ liệu luân chuyển lớn trên mạng Teleradiology (CT 64 lát: 1500MB/ca, MRI 1.5 Tesla: 600MB/ca) và một đặc trưng của mạng Internet

là hầu hết sử dụng địa chỉ IP động, NAT (Network Address Translation) và tường lửa, nên ta cần phải xây dựng một mạng riêng ảo (VPN) để giải quyết các vấn đề của việc truyền dữ liệu theo chuẩn DICOM

Nếu Teleradiology vận hành theo mô hình tập trung dữ liệu, tập trung định tuyến (như tại hình 1-2), thì sẽ có những nhược điểm sau:

• Trung tâm dữ liệu (TTDL) sẽ phải tiếp nhận tất cả số lượng yêu cầu trực tiếp từ các bệnh viện tuyến Và như vậy có thể tại một thời điểm nào đó, các bệnh viện đồng loạt gửi yêu cầu về TTDL Điều này dẫn đến băng thông và công suất xử

lý của TTDL là rất lớn để loại trừ khả năng nghẽn xử lý tại lúc cao điểm Khả năng này thường xảy ra do bệnh nhân tập trung khám chữa bệnh vào buổi sáng (9h sáng)

• Vì đây là mô hình tập trung dữ liệu nên khả năng bảo mật và an toàn thông tin

là kém hơn mô hình phân tán dữ liệu Tuy nhiên dữ liệu y tế là dữ liệu cực kỳ nhạy cảm và cần sự bảo mật cao

• Mô hình tập trung dữ liệu cũng không đáp ứng được mô hình phân tầng, phân tuyến của Bộ Y tế trong chẩn đoán từ xa và y tế từ xa (telemedicine)

• Nếu ứng dụng mô hình tập trung này cho bệnh án điện tử thì không khả thi Do khi TTDL bị sập mạng thì hoạt động của toàn ngành y tế bị gián đoạn Mặt khác bệnh án điện tử phải được khai thác theo cấu trúc khu vực dân cư, điều mà TTDL không thể hiện được

4

Hình 1 - 2 Mô hình gửi dữ liệu dạng tập trung cho Teleradiology

Để giải quyết các nhược điểm trên, luận án đề xuất mô hình phân tầng và phân tán dữ liệu, như tại hình 1-3

Mô hình hình 1-3 có các ưu điểm tiêu biểu:

• Đây là mô hình phân tán dữ liệu, vì vậy ngay khi sự cố diễn ra tại một khu vực nào đó thì các tuyến bệnh viện khu vực khác vẫn có thể hoạt động bình thường

• Chi phí đầu tư phần cứng và hạ tầng đường truyền cũng được giảm đi rất nhiều,

do không phải xây dựng TTDL

• Đáp ứng cấu trúc phân tầng, phân tuyến, bệnh viện hạt nhân, bệnh viện vệ tinh của Bộ Y tế [16][17]

• Nếu dữ liệu trong mô hình phân tán này có thể được luân chuyển tự động và tự định tuyến (self routing) thì nó có thể được ứng dụng cho bệnh án điện tử (EMR)

và luân chuyển dữ liệu bệnh án điện tử giữa các bệnh viện (HMR)

5

Bệnh viện Trung tâm

BV Cấp 3

Hình 1 - 3 Mô hình kết nối phân tầng

Để giải quyết vấn đề tự định tuyến (self routing) của mạng phân tán dữ liệu, thì ta cần một tô pô logic tích hợp vào mạng VPN Tô pô này nhằm cân bằng tải, định tuyến tìm đường đi ngắn nhất dựa vào chuỗi địa chỉ cố định và đáp ứng nhu cầu chẩn đoán phân tầng, phân tuyến của ngành y tế

Việc lựa chọn tô pô (topology) mạng thông tin logic cho các mạng liên kết là rất quan trọng trong việc thiết kế các mạng truyền dữ liệu phân tán của hệ thống xử lý song song Tùy theo từng mục tiêu mà ta có các lựa chọn theo hiệu năng xử lý hoặc tối giảm chi phí trên tô pô Những mục tiêu này có thể được biểu diễn và thực thi dựa trên các đồ thị đơn hướng (graph) hoặc hai hướng (digraph), mà trong đó các đỉnh của đồ thị tương ứng với các nút xử lý và các cạnh của đồ thị tương ứng với các mạng liên kết vật lý giữa các nút

xử lý với nhau

Để tìm hiểu kỹ hơn về vấn đề này, xin tham khảo thêm tài liệu xuất bản của D Ameter

và Max de Gree [18] Tôi khái quát một số yêu cầu của mạng logic cho ứng dụng thiết kế

hệ thống thông tin phân tán và xử lý song song như sau:

6

• Độ trễ thông tin nhỏ, tức là đường kính của mạng nhỏ Đường kính của đồ thị là khoảng cách lớn nhất giữa bất kỳ cặp đỉnh nào của đồ thị (khoảng cách này tương ứng số bước nhảy tối đa mà một bản tin được chuyển đi từ node nguồn đến node đích)

• Có bậc (degree – là tổng số kết nối đến một node, ví dụ mạng De Bruijn dBG(2,4) với bậc d=2 có nghĩa tổng số kết nối chiều đi là 2, tổng số kết nối chiều về là 2 và tổng số kết nối nếu không phân biệt chiều là 4) nhỏ và cố định Hơn nữa, khi bậc của graph cố định thì ta có thể dùng duy nhất 1 loại thiết kế phần cứng để xây dựng mạng xử lý song song, phân tán

• Các giải thuật định tuyến đơn giản Việc lựa chọn giải thuật routing là rất quan trọng [chương 3.5-[19]] và phụ thuộc vào loại mạng thông tin nền được lựa chọn

Do vậy, tìm ra giải thuật routing không phụ thuộc vào tô pô nền sẽ là một yêu cầu quan trọng trong lĩnh vực này

• Tính đồng nhất và đối xứng Việc thiết kế các mạng xử lý song song thông thường được tiến hành trên cùng 1 chủng loại thiết bị xử lý có cùng đặc tính (xử lý và thông tin) như nhau Điều này chỉ có thể thực hiện được khi mạng thông tin có các quy tắc chung nhất về thông tin và có tính đối xứng

• Khả năng chịu lỗi Hệ thống vẫn phải tiếp tục hoạt động trong trường hợp có node hoặc link bị lỗi

• Khả năng mở rộng Việc thiết kế mạng xử lý song song phải cho phép thiết kế tại nhiều kích cỡ khác nhau Hơn nữa một tô pô cho phép liên kết nhiều module kích

cỡ nhỏ để thành 1 module kích cỡ lớn thì sẽ rất tối ưu

• Khả năng thực hiện mạng dễ dàng

Mạng De Bruijn, được ký hiệu là dBG, được đề xuất bởi N.G De Bruijn [20] Mạng

De Bruijn được nghiên cứu ứng dụng cho mạng thông tin đầu tiên bởi Schlumberger [21] Một minh chứng điển hình ứng dụng của mạng De Bruijn là project Galileo (JPL) của NASA, mà trong đó các mạch vi xử lý song song, phân tán (8192 vi xử lý) dùng để giải

mã theo giải thuật Viterbi (Viterbi decoder) [22], họ sử dụng mạng De Bruijn làm kiến trúc logic Đặc điểm của mạng De Bruijn khi ứng dụng cho JPL là nó có thể cung cấp đường đi ngắn nhất giữa các cụm (clusters) trong toàn bộ hệ thống

7

Việc ứng dụng mạng De Bruijn vào thiết kế hệ thống mạng cáp quang cũng được thực hiện rộng rãi Về kiến trúc cơ bản cho mạng MAN được chia thành 2 nhánh: hệ thống đơn bước hoặc hệ thống đa bước [23] Trong hệ thống đơn bước (single hop), bất kỳ nút nào đều có thể thông tin liên lạc qua lại với các nút khác chỉ bằng một bước nhảy Để thực hiện điều này, kiến trúc mạng phải là dạng kết nối đầy đủ kiểu mesh hoặc các dạng

tô pô ngẫu nhiên như mạng passive star hay mạng bus, …, và bằng cách sử dụng các bộ ghép kênh phân chia theo bước sóng (wavelength-division multiplexing (WDM)) và các

bộ thu phát hiệu chỉnh nhanh Với hệ thống đa bước, vì không có đường kết nối vật lý trực tiếp giữa 2 nút trong mạng, các gói dữ liệu có thể phải di chuyển qua nhiều hơn 2 nút trước khi đến được nút đích Các yêu cầu về cấu hình của thiết bị thu phát quang trong trường hợp này cũng đơn giản hơn so với hệ thống đơn bước, do đó hệ thống đa bước được sử dụng rộng rãi trong thực tế

Việc đánh giá hiệu năng của hệ thống đa bước thường liên quan đến việc đưa ra các thông số như chiều dài đường đi trung bình, tải trên các đường dẫn, độ delay trung bình của các gói dữ liệu,… Các thông số này có thể khác nhau tùy theo mỗi mô hình tô pô và phụ thuộc nhiều vào đặc trưng của mạng như bậc của mạng Do vậy, việc đưa ra mô hình mạng phù hợp là mối quan tâm chính yếu của mạng thông tin liên lạc đa bước Bài báo

số [23] mô tả tóm tắt một số tô pô thông dụng phù hợp cho các hệ thống đa bước, ví dụ: mạng Shuffle hoàn chỉnh, mạng Toroid (Mạng Manhattan Street), mạng Hypercube và mạng De Bruijn Bài báo trên đã chứng minh rằng, với cùng bậc và chiều dài đường đi trung bình, rằng mạng De Bruijn có khả năng hỗ trợ số lượng trạm nhiều hơn mạng Shuffle trong khi vẫn giữ nguyên cấu trúc địa chỉ mạng và các đặc trưng định tuyến đơn giản hơn

Các mạng truyền dẫn được chia làm hai loại: tô pô vật lý và tô pô logic Tô pô vật lý

là mạng kết nối vật lý nằm bên dưới, nó thông thường là mạng broadcast hình sao hay dạng bus (cho mạng quang), hoặc mạng TCP/IP cho Ethernet/Internet Tô pô vật lý cũng

có thể là một mạng định tuyến theo bước sóng, bao gồm các đường nối điểm điểm của các nút mạng quang Các mô hình kết nối khác nhau giữa các trạm có thể được triển khai trên tô pô vật lý này Các luồng dữ liệu sẽ được định tuyến từ nút mạng nguồn đến nút mạng đích trực tiếp (nếu tồn tại đường dẫn trực tiếp) hoặc thông qua các nút mạng trung

8

gian Việc định tuyến các luồng dữ liệu này sẽ được triển khai trên một tô pô gọi lại tô pô logic Mạng De Bruijn được xem là tô pô logic điển hình cho mạng đa bước

Lợi ích của việc sử dụng tô pô logic dựa trên mạng De Bruijn như sau: nó hỗ trợ việc tạo nên các tô pô logic để phản ánh mô hình truyền nhận dữ liệu trong mạng, và mạng logic này có thể được cấu hình nhằm làm đơn giản các giải thuật định tuyến, quản lý luồng và giảm thiểu độ trễ thông lượng (do việc đinh tuyến trên mạng De Bruijn có thể thực hiện rất đơn giản bằng việc dịch phải hoặc dịch trái chuỗi địa chỉ mạng so với việc định tuyến trực tiếp trên mạng vật lý như TCP/IP (giải thuật OSPF của tác giả Dijkstra được trình bày trong tài liệu “Introduction to Algorithms” [10]) Ngoài ra mạng De Bruijn cũng cung cấp đường đi ngắn nhất với giải thuật đơn giản, khi áp dụng đường đi ngắn nhất sẽ giảm thiểu độ trễ thông lượng) Mạng De Bruijn cung cấp các lớp tô pô tốt để làm mạng logic

Một điều lưu ý rằng: tô pô logic này chỉ hoạt động trên lớp 4 (mô hình TCP/IP) nhằm

tổ chức và định tuyến trên mạng VPN Bằng cách sử dụng khái niệm tập hợp rời rạc [24] nhằm khai triển mạng De Bruijn theo dạng tập hợp nhiều lớp, tôi đề xuất mô hình mạng MHC(d,k) là tô pô cho hệ thống Teleradiology [9] Mạng MHC(d,k) đề xuất được chứng minh là một trong những ứng viên phù hợp nhất cho mạng Teleradiology và EMR/HMR Luận án tiến sĩ được cấu trúc như sau: đầu tiên là chương tổng quan, tiếp theo chương

2 là các kiến thức cơ bản liên quan luận án Sau đó tôi thực hiện các nghiên cứu chuyên sâu trên mạng De Bruijn và đưa ra các cải tiến giải thuật định tuyến của các nhà nghiên cứu khác (Liu [6], Mao [7], Samantham và Pradhan [8]) tại chương 3 Tại chương này tôi cũng thực hiện các chứng minh toán học và mô phỏng trên mạng De Bruijn và so sánh với các giải thuật Shortest Consistent Path (SCP) của Esfahanian [25], Refreshing (RFR), Neighnour Searching (NSC), Pattern Matching (PMC) của Yang [26] Tại chương 4, tôi

có đề xuất mô hình mạng MHC(d,k), đây là mạng được kiến trúc dựa trên mạng De Bruijn

và mạng TCP/IP ứng dụng cho chẩn đoán từ xa Teleradiology [9] Mạng MHC(d,k) này cũng có thể ứng dụng cho mô hình cân bằng tải cho mạng chẩn đoán từ xa Teleradiology hoặc EMR/HMR Tại chương 5, tôi cũng thực hiện một số mô phỏng chứng minh giải thuật định tuyến trên mạng MHC(d,k) với các số liệu thực tế tại các bệnh viện khảo sát (bệnh viện Nhi Đồng 1, bệnh viện Bình Dân, bệnh viện quận Thủ Đức,…) Các kết quả

9

mô phỏng giải thuật định tuyến tại chương 5 được so sánh với giải định tuyến kinh điển OSPF của Dijkstra [10] trên mạng TCP/IP Và cuối cùng là kết luận và hướng phát triển Tôi cũng đã thực hiện các đánh giá về khoa học và thực nghiệm cho việc ứng dụng mạng MHC cho việc truyền dữ liệu hình ảnh DICOM từ bên trong bệnh viện ra bên ngoài Internet thông qua đề tài cấp Tp.HCM “Ứng dụng thiết bị tổng đài ip và Video Conference Bách Khoa phục vụ hội chẩn y tế trực tuyến tại bệnh viện Nhân dân 115“ [4] Đề tài này

đã được nghiệm thu chính thức vào tháng 03/2014 và đạt loại Khá

Và tôi đã thực hiện các đánh giá khoa học và thực nghiệm cho việc ứng dụng mạng

MHC cho việc truyền tải dữ liệu hình ảnh DICOM (cho 4484 ca chẩn đoán CT từ xa)

từ Bệnh viện Bình An (tại Kiên Giang) và bệnh viện Medic Cà Mau (tại Cà Mau) về bệnh viện Medic Hoà Hảo (tại Tp.HCM) nhằm phục vụ cho chẩn đoán từ xa thông qua dự án công nghệ cao cấp nhà nước “Hoàn thiện công nghệ chế tạo thiết bị hệ thống thu thập, lưu trữ hình ảnh DICOM, hệ thống Hội chẩn Y tế trực tuyến Video và phần mềm bảo mật, khai thác cơ sở dữ liệu hình ảnh DICOM phục vụ chẩn đoán bệnh“ [2] Dự án đã được nghiệm thu cấp cơ sở vào tháng 05/2017

10

CHƯƠNG 2: CÁC KIẾN THỨC CĂN BẢN

Nhằm phục vụ cho các lý thuyết đề xuất tại các chương sau, trong chương này tôi sẽ trình bày các phần kiến thức cơ bản liên quan đến mạng De Bruijn và tiêu chuẩn DICOM ứng dụng trong hình ảnh học y tế

2.1 Tổng quan về mạng De Bruijn

2.1.1 Họ mạng De Bruijn truyền thống

2.1.1.1 Đại số hóa mạng De Bruijn

Mạng De Bruijn được trình bày lần đầu tiên bởi N.G De Bruijn [20] vào năm 1946 để tính toán chu kỳ tối đa của chuỗi bậc d Mạng De Bruijn được nghiên cứu ứng dụng lần đầu vào làm mạng thông tin bởi Schlumberger [21] Mạng De Bruijn được đề xuất làm mạng kết nối các vi xử lý/vi điều khiển cho các ứng dụng xử lý song song bởi Pradhan [27] Có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện trên mạng De Bruijn nhằm thiết kế và xây dựng các tô pô (topology) cho các ứng dụng xử lý song song và phân bố tải thông tin [27][8][28][29][24] Một trong các ứng dụng điển hình nhất của mạng De Bruijn được ứng dụng làm mạng nền cho hệ thống xử lý song song và cân bằng tải là dự án Galileo của NASA [22] Lúc này mạng De Bruijn được sử dụng làm mạng thông tin cho các bộ giải mã Viterbi Phần sau trình bày một số định nghĩa và đặc tính của mạng De Bruijn

2.1.1.1.1 Định nghĩa sử dụng chuỗi

Đồ thị có hướng Bruijn ký hiệu UdBG(d,k), có các đỉnh ký hiệu bởi các chuỗi có chiều dài k nằm trong d ký tự VD: UdBG(2,3) mô tả trong hình 2-1 có các đỉnh 000, 001, 010,

đỉnh x đến đỉnh y nếu k-1 ký tự đầu của y bằng k-1 ký tự sau của x ( dịch trái)

UdBG(d,k) bậc d tức là mỗi đỉnh sẽ có bậc vào (tức là số vòng cung hướng vào nút)

và bậc ra (số vòng cung hướng ra khỏi nút) bằng d Đường kính là k (từ 1 đỉnh đến tất cả các đỉnh còn lại sau khi dịch trái k lần) UdBG(d,k) là đồ thị con của UdBG(d+1,k)

ra là d-1 Cũng có thể lựa chọn cách thêm một đỉnh mới vào cả 2 hướng của tất cả các

Hình 2 - 1 Mạng De Bruijn bậc 2

2.1.1.1.2 Định nghĩa sử dụng line digraph iteration (đồ thị hướng tuyến tính xấp xỉ)

Định nghĩa này được đưa ra bởi Fiol, Yebra và Alegre [30]

Line digraph (đồ thị có hướng) của đồ thị G được viết tắt là LG, mà trong đó các đỉnh biểu diễn cho các cung của G Ví dụ: tồn tại 01 cung từ e đến f trong LG nếu e biểu diễn một cung mà đỉnh cuối của cung biểu diễn bởi e là đỉnh đầu của cung biểu diễn bởi f (như

e biểu diễn cung (x,y) và f biểu diễn cung (y,z))

Đặc tính của Line digraph (LG): nếu G là đồ thị hướng chuẩn d với đường kính k thì

LG cũng là đồ thị hướng chuẩn d nhưng đường kính là k+1, ngoại trừ d=1 thì LG=G Cho

K+d là đồ thị hướng hoàn toàn trên d đỉnh, mỗi đỉnh có một vòng tự lặp, thì Lk-1(K+d) (đó

12

Nếu vòng cung từ x đến y trong G tương đương với một đỉnh (x,y) trong LG và tổng quát hơn vòng cung giữa (x1,x2, ,xk) và (x2,x3, ,xk+1) trong Lk-1(G) thì định nghĩa đồ thị hướng tuyến tính xấp xỉ sẽ tương đương với định nghĩa sử dụng chuỗi ở phần trên

2.1.1.1.3 Định nghĩa từ phép đồng dư

nếu d=2, thì x sẽ nối đến 2x và 2x+1 Định nghĩa này tương đương với định nghĩa sử

Ma trận kế cận của các đồ thị có hướng De Bruijn này có các đặc tính đặc biệt UdBG(d,k) tồn tại chính xác một đường chiều dài k giữa 2 đỉnh bất kỳ Do đó, ma trận

2.1.1.1.5 Đồ thị Bruijn hai hướng (vô hướng dBG)

BdBG(d,k) là đồ thị vô hướng từ đồ thị hướng Bruijn nhưng không quan tâm đến hướng của các vòng cung, loại bỏ các vòng tự lặp, và thay thế 2 đường dẫn giữa 2 đỉnh thành đường dẫn đơn Lúc này phép dịch chuỗi (dịch trái, dịch phải giữa 02 nút liền kề

có thể thực hiện được trên cùng một đường dẫn (phép dịch chuyển vô hướng))

cận sẽ là (x1,x2, xk-1,p) (kế cận trái, dịch trái) và (p,x0, ,xk-2) (kế cận phải,dịch phải) Với p=0,1 d-1

13

Một (a,b)-path là ký hiệu đường từ a đến b R path là đường biểu diễn bởi dịch phải (phép dịch (x0,x1, ,xk-1) à (p,x0,x1, ,xk-2)) , L path là đường biểu diễn bởi dịch trái (phép dịch (x0,x1, ,xk-1) à (x1, ,xk-1,p)) Sử dụng R,L để ký hiệu R path( / =1, tức là dịch phải

1)), các chỉ số x,y,z,w dùng để phân biệt các đường con 8 là chiều dài của đường P Hình 2-2 là ví dụ về BdBG(2,4)

để sửa đổi các đồ thị này đến vùng 2d đồ thị chuẩn tắc ( nhắc lại: đường dẫn tự do nên được sử dụng)

So sánh các đồ thị Bruijn và K-cubes với các giá trị cho trước d và k K-cube chỉ được định nghĩa với d=k, Sau đây là bảng so sánh với các giá trị d=k=4,6,8,10

14

Từ bảng so sánh trên với các giá trị giống nhau của d và k, mạng Bruijn có nhiều đỉnh hơn K-cube Hơn nữa, với số đỉnh giống nhau, có thể chọn các giữa giá trị khác của d và

k Ví dụ: với 256 đỉnh thì chỉ có duy nhất 8-cube với bậc 8 và đường kính 8 Nhưng còn

có các mạng De Bruijn BdBG(2,8) với bậc lớn nhất 4 và đường kính 8, BdBG(4,4) với bậc lớn nhất 8 và đường kính 4, BdBG(16,2) bậc lớn nhất 32 và đường kính 2

Lưu ý: các dBG được định nghĩa chỉ có bậc chẵn, tuy nhiên trong thực tế các đồ thị này được định nghĩa cho bất kỳ bậc lẻ Chứng minh: trong trường hợp định nghĩa một đồ thị có các đỉnh ký hiệu bởi các chuỗi chiều dài 2n dựa trên 2 ký tự X và Y, hai chuỗi liên tiếp thuộc về 2 ký tự khác nhau Một đỉnh được ký hiệu (x1,y1,x2,y2,…,xn,yn) Đỉnh (x1,y1,x2,y2,…,xn,yn) liên kết đến các đỉnh (xn+1,yn,xn,…,y2,x2,y1), với xn+1 là ký tự bất kỳ

2.1.1.2 Tổng quát hóa đồ thị Bruijn

Giống như K-cube, các đồ thị De Bruijn chỉ được xác định cho một số giá trị của số

nghĩa thứ 3 sử dụng đồng dư thì có thể mở rộng đến số đỉnh bất kỳ Tổng quát của đồ thị

có hướng De Bruijn đã được giới thiệu bởi Reddy Pradhan and Kuhl [27]

là định nghĩa chính xác của đồ thị có hướng De Bruijn Các đỉnh của mạng được ký hiệu

> ≤ $

Thuộc tính định tuyến có thể thực hiện dễ dàng và chỉ cần biết địa chỉ nguồn và địa chỉ

y Nếu cho D=log2n và lấy (a1,a2, ,ak) là số dư của phép chia y-xdk cho n trong cơ số d; thì tồn tại một đường đi x=z0z1 zk=y từ nút x đến nút y mà trong đó zi=dzi-1+ai

[27][31][32]

Thuộc tính kết nối và khả năng chịu lỗi của đồ thị có hướng De Bruijn là rất tốt

trường hợp đồ thị hướng chứa một số vòng tự lặp) Khi d+1 chia hết n, bậc nhỏ nhất là d,

và khả năng kết nối là d nếu và chỉ nếu d và n không phải số nguyên tố (khả năng kết nối trong trường hợp này là d-1) Việc sửa đổi của mạng tổng quát hóa này được trình bày trong [33]; chúng là đồ thị có hướng d kết nối và chuẩn tắc bậc d với đường kính hầu như được tối ưu Các nghiên cứu về khả năng chịu lỗi được trình bày trong khảo sát [35] Nghiên cứu của Du và Hwang [32] về mạng dBG là Hamiltonian trừ khi d=2 và n lẻ Họ

nhúng: khả năng nhúng của mạng vòng vào mạng De Bruijn là luôn luôn được đảm bảo, khả năng nhúng của cây d-ary cũng đã được thực hiện và trình bày trong nghiên cứu của

Du và Hwang [32]

Như vậy với khả năng kết nối, khả năng chịu lỗi và thuộc tính nhúng của mạng De Bruijn, ta có thể nhận thấy đây là một tô pô lý tưởng để thực hiện nghiên cứu đề xuất làm

tô pô logic cho mạng Teleradiology

2.1.2 Các nghiên cứu trên mạng De Bruijn đã được thực hiện trước đây

Một số khái niệm về tập hợp rời rạc trên mạng De Bruijn [24]

16

Định nghĩa 2.1: Tập hợp rời rạc bậc mth (DSm) là một tập hợp chứa tất cả kế cận của

{100,000,010,011,001,010,110,000} Tuy nhiên, ta thấy rằng 100,001,010 và 000 bị

Hình 2 - 3 Mạng De Bruijn 02 hướng BdBG(2,3)

Bổ đề 2.1: DSm không lỗi

Chứng minh: từ định nghĩa trên, ta thấy DSm không chứa bất kỳ node nào bị lỗi

Bổ đề 2.2: tất cả kế cận của nút thuộc DSk nằm trong DSk-1, DSk và DSk+1 Trừ những nút lỗi

Chứng minh: ta thấy rõ ràng DS1 và DS2 chứa tất cả node kế cận của các node trong

những node bị lỗi Do vậy bổ đề 2.2 đúng đến k=1,2 Giả sử bổ đề 2.2 đúng đến m, sau đây ta sẽ chứng minh nó đúng đến m+1

Giả sử bổ đề 2.2 sai tại m+1 Điều này có nghĩa tồn tại node kế cân A của một phần tử

đúng tại m+1

Theo phương pháp quy nạp toán học, bổ đề 2.2 được chứng minh

Bổ đề 2.3: tồn tại không kế cận của bất kỳ phần tử nào trong DSk, cái mà bị trùng với

17

Chứng minh: giả sử tồn tại node kề cận A của phần tử B ∈DSk và phần tử A này trùng

nằm trong tập hợp bậc m-1 hay m hay m+1 và B’=B Điều này mâu thuẫn với định nghĩa

về tập hợp rời rạc à Bổ đề 2.3 được chứng minh

Hệ quả 2.1: kiểm tra trùng tại bậc kế tiếp của DSk, không cần thiết kiểm tra trùng lặp

Các nghiên cứu về tập hợp rời rạc đề xuất một phương pháp biểu diễn khác của đồ thị

De Bruijn đó là sử dụng tập hợp để mô tả các phần tử mạng Với phương pháp này sẽ tạo nên các kiến trúc phân tầng với địa chỉ cố định phù hợp với mô hình Chẩn đoán từ xa/Hội chẩn Y tế phân tầng, Teleradiology của ngành y tế

2.2 Chuẩn DICOM

Hình 2 - 4 Từ phim X Quang truyền thống sang ảnh số DICOM

DICOM (The Digital Imaging and Communications in Medicine) là chuẩn định nghĩa

ra các qui tắc định dạng và trao đổi hình ảnh y tế cũng như thông tin liên quan Hình ảnh

y tế (mô tả tại hình 2-4) được nhận từ các thiết bị thu nhận hình ảnh số khác nhau như máy CT (Compited Tomography), MR (Magnetic Resonance), US (UltraSound), NM (Nuclear Medicine) Nó tạo ra một ngôn ngữ chung cho phép giao tiếp hình ảnh và các thông tin y tế liên quan giữa các thiết bị và hệ thống trong mạng thông tin y tế

18

Hình 2 - 5 Các thiết bị tạo, lưu trữ và truyền ảnh DICOM

Với sự ra đời của máy tạo ảnh chẩn đoán vào những năm 1970, cũng như việc sử dụng ngày càng nhiều hệ thống máy tính và ảnh số trong y tế với các định dạng khác nhau thì nhu cầu cần phải có một chuẩn chung cho quá trình truyền ảnh số và các thông tin liên quan ngày càng lớn Trước nhu cầu đó, American College of Radiology (ACR) và The National Electrical Manufacturers Association (NEMA) đã thiết lập thành một ủy ban chung vào năm 1983 để phát triển một chuẩn gọi là chuẩn ACR-NEMA (mô tả tại hình 2-5)

Chuẩn ACR-NEMA (American College of Radiology và The National Electrical Manufacturers Association) ra đời nhằm mục đích để cho các thiết bị tạo ảnh của các nhà sản xuất khác nhau có thể trao đổi và chia sẻ thông tin trong môi trường thông tin ảnh y

tế, đặc biệt là trong môi trường PACS Chuẩn này tập trung vào trao đổi, kết nối và truyền thông giữa các hệ thống y tế Phiên bản 1 của ACRNEMA ra đời năm 1985 xác định việc truyền bản tin điểm tới điểm, khuôn dạng dữ liệu và một số lệnh Phiên bản thứ 2 ra đời năm 1988 định nghĩa phần cứng và giao thức phần mềm cũng như từ điển dữ liệu chuẩn Nhưng vấn đề kết nối mạng chưa rõ ràng qua hai phiên bản này vì thế mà phiên bản thứ

3 ra đời và lấy tên là DICOM

Vì sự ra đời của các chuẩn là khác nhau nên với các thiết bị không tuân theo tiêu chuẩn DICOM mà thực hiện theo tiêu chuẩn CR-NEMA hoặc tiêu chuẩn riêng của nhà sản xuất cần thì thích ứng sang DICOM Để thích ứng với chuẩn ACR – NEMA thì cần một chuyển đổi từ ACR-NEMA sang DICOM, còn để thích ứng với các chuẩn riêng của nhà sản xuất thì cần phải chuyển đổi các đặc tính của nhà sản xuất sang ACR-NEMA hoặc DICOM

Hình 2 - 6 Ảnh DICOM xem trên máy tính

Chuẩn DICOM tăng cường khả năng hoạt động tương tác của các thiết bị tạo ảnh y tế bằng cách định ra:

• Thông tin được sử dụng trong ứng dụng tuân theo chuẩn

Hình 2 - 7 Các thành phần của hệ thống chẩn đoán hình ảnh

PACS là viết tắt của Picture Archiving and Communication Systems - hệ thống lưu trữ

và truyền hình ảnh (mô tả tại hình 2-7), được phát triển nhằm cung cấp khả năng truy xuất nhanh chóng và lưu trữ kinh tế nhất, ứng dụng trong lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh y khoa Với ưu thế công nghệ, PACS mang lại nhiều lợi ích cả về kinh tế lẫn kỹ thuật: tăng hiệu quả cho việc điều trị lên rất cao mà lại giảm thời gian chờ đợi và chẩn đoán, giảm chi phí đi lại Sau mỗi lần chụp phim, bệnh nhân không cần ngồi chờ lấy kết quả, bác sĩ

PACS

21

cũng không còn loay hoay với tấm phim để xem mà hình ảnh chụp được sẽ nhanh chóng chuyển đến máy tính cá nhân của bác sĩ và hiển thị một cách đầy đủ trực quan nhất PACS về cơ bản bao gồm bốn thành phần chính:

• Các phương thức tạo hình ảnh như CT, MRI, X quang, Siêu âm

• Một mạng máy tính an toàn cho việc truyền tải thông tin bệnh nhân

• Các máy tính trạm để xem, tối ưu hình ảnh, lập báo cáo và điều khiển thiết bị

• Trung tâm dữ liệu để lưu trữ và cho phép truy cập với tính năng bảo mật

Tuy nhiên các thành phần của hệ thống này chỉ hoạt động được trên mạng nội bộ với địa chỉ tĩnh (theo tiêu chuẩn ISO 12052:2006 [5] về chuẩn DICOM) và không hoạt động được trên mạng Internet (với hầu hết là IP động và sử dụng NAT (Network Address Translation)) Do vậy để vừa đáp ứng chuẩn DICOM, vừa hoạt động được trên mạng Internet, thì ta cần một mạng logic phía bên trên mạng TCP/IP nhằm quản

lý việc định tuyến các gói dữ liệu chuẩn DICOM

Do tính chất quan trọng của HSBA, quá trình lập, lưu trữ và sử dụng được quy định rất chặt chẽ và cụ thể Về sơ lược, có thể tóm tắt như sau:

22

• HSBA bao gồm các tài liệu, thông tin liên quan đến người bệnh và quá trình khám bệnh, chữa bệnh

Về việc lưu trữ HSBA:

• HSBA được lưu trữ theo các cấp độ mật của pháp luật về bảo vệ bí mật nhà nước

• HSBA nội trú, ngoại trú được lưu trữ ít nhất 10 năm; HSBA tai nạn lao động, tai nạn sinh hoạt được lưu trữ ít nhất 15 năm; HSBA đối với người bệnh tâm thần, người bệnh tử vong được lưu trữ ít nhất 20 năm

• Trường hợp lưu trữ HSBA bằng bản điện tử, cơ sở khám bệnh, chữa bệnh phải có bản sao dự phòng và thực hiện theo các chế độ lưu trữ như trên

Như vậy, HSBA là tổng hợp từ nhiều nguồn thông tin trong quá trình quản lý hành chính, lâm sàng và cận lâm sàng Theo truyền thống, HSBA thường được ghi chép và lưu trữ ở dạng hồ sơ giấy Quá trình ghi chú, lưu trữ và trao đổi thông tin trên HSBA giấy dẫn đến một số trở ngại như:

• Trong cùng một cơ sở khám chữa bệnh, quá trình quản lý bệnh nhân trong cả ba khâu hành chính, lâm sàng và cận lâm sàng gặp nhiều khó khăn và tiêu tốn thời gian để bảo đảm tính đồng bộ và chính xác cao

• Số lượng bệnh nhân đông ở các bệnh viện trọng điểm khiến việc ghi chú, lưu trữ

và quản lý hồ sơ giấy rất cồng kềnh và phức tạp, việc thống kê và tìm kiếm thông tin thường mất nhiều thời gian

• Khi bệnh nhân được chuyển giữa các cơ sở khám chữa bệnh, thông tin cận lâm sàng thường không được trao đổi do quy định về lưu trữ HSBA gốc và bệnh nhân phải làm lại các xét nghiệm/chẩn đoán hình ảnh khi đến cơ sở khám bệnh mới

• Quá trình chuyển tuyến và thay đổi bảo hiểm cũng thường mất nhiều thời gian và

dễ sai sót do thông tin lâm sàng và cận lâm sàng đều được viết tay

Thực trạng này dẫn đến yêu cầu áp dụng công nghệ cao vào quá trình thiết lập, lưu trữ

và sử dụng HSBA Bệnh án điện tử (BAĐT) là những dữ liệu, thông tin được "số hóa" từ bệnh án thực của bệnh nhân mỗi lần vào viện Về mặt lý thuyết, tất cả các thông tin hành chính (tên tuổi, giới tính, địa chỉ, bảo hiểm v.v.), thông tin lâm sàng (bệnh sử, dị ứng, triệu chứng, chẩn đoán v.v.) và thông tin cận lâm sàng (xét nghiệm sinh hóa, xét nghiệm huyết học, chẩn đoán hình ảnh v.v.) đều được lưu trữ vào BAĐT Mỗi người bệnh sẽ được liên kết với một BAĐT của riêng mình tương tự như việc liên kết với một sổ khám

• Việc thống kê, tìm kiếm thông tin trở nên dễ dàng hơn nếu có một bộ phận lưu trữ trung tâm

• Việc thống kê dữ liệu khối lượng lớn cũng giúp ích rất nhiều trong quá trình sàng lọc, nghiên cứu và dự đoán dịch bệnh hoặc phục vụ cho quá trình giảng dạy và nghiên cứu khoa học chuyên ngành

• Giảm thiểu chi phí cận lâm sàng cho bệnh nhân vì, trong trường hợp lý tưởng, thông tin cận lâm sàng có thể được trao đổi giữa các cơ sở khám chữa bệnh và cơ

sự vụ liên quan tới quản lý nhân sự, quản lý tài chính, quản lý cơ sở vật chất, quản lý bệnh nhân tạo thành dòng thông tin quản lý Thứ hai, HSBA bao gồm thông tin hành chính, lâm sàng và cận lâm sàng tạo nên dòng thông tin liên quan đến bệnh nhân Tất cả những thông tin này sẽ được lưu giữ trong hệ thống thông tin bệnh viện (Hospital Information System - HIS) Nếu HIS tuân thủ theo một chuẩn chung, thông tin hai chiều giữa các phòng ban, giữa các khoa trong bệnh viện, và giữa các bệnh viện với nhau có thể được trao đổi Về mặt cấu trúc, HIS là một tập hợp dữ liệu lớn bao gồm nhiều thành phần dữ liệu khác nhau Trong đó, phần thông tin quản lý, hành chính và lâm sàng thường

ở dạng văn bản, phần thông tin cận lâm sàng thường được liên kết với hệ thống dữ liệu xét nghiệm (Laboratory Information System – LIS) và hệ thống dữ liệu chẩn đoán hình ảnh (Radiology Information System – RIS) liên kết với hệ thống lưu trữ và truyền nhận hình ảnh (Picture Archiving and Communication System – PACS)

24

RIS là hệ thống thông tin chẩn đoán hình ảnh y tế RIS ban đầu ra đời nhằm mục đích

hỗ trợ các công việc quản trị cũng như các hoạt động thăm khám bệnh nhân trong khoa chẩn đoán hình ảnh RIS giúp tăng khả năng chia sẻ thông tin phục vụ chẩn đoán và điều trị, vì phần lớn bệnh nhân đều phải qua khâu chẩn đoán hình ảnh này Do dữ liệu chẩn đoán hình ảnh có dung lượng lớn và có tính đặc thù cao, các mạng thông tin chẩn đoán hình ảnh ra đời tăng đáng kể hiệu quả trong công tác quản lý dữ liệu bệnh viện RIS lưu trữ dữ liệu danh sách bệnh nhân, phòng khám, số liệu kết quả chụp chiếu và chẩn đoán, thao tác với bệnh án, lưu trữ hình ảnh, kiểm tra chất lượng v.v Dữ liệu ảnh thu nhận được

từ các thiết bị như X Quang, CT, MRI, siêu âm v.v sẽ được lưu giữ lại dưới dạng tập các ảnh số hóa đưa vào cơ sở dữ liệu mà RIS quản lý

RIS thông thường cần liên kết với PACS nhằm lưu trữ, phân phối và truyền hình ảnh, nâng cao chất lượng chẩn đoán một cách hiệu quả hơn PACS sử dụng định dạng chuẩn

số hóa và truyền nhận hình ảnh y tế (Digital Imaging and Communications in Medicine – DICOM) để lưu trữ và chuyển giao hình ảnh Chuẩn này cũng có thể đóng gói dữ liệu không phải hình ảnh trong định dạng DICOM để xem, lưu trữ và phân phối, chẳng hạn như định dạng PDF và JPG Chuẩn DICOM là một tiêu chuẩn dữ liệu công nghiệp được thỏa thuận giữa các nhà sản xuất thiết bị và là tiêu chuẩn dữ liệu ISO 12052:2006 Các hệ thống thông tin y tế trong nước hiện nay vẫn còn gặp rất nhiều vấn đề nan giải

Bộ Y tế đã thành lập Cục Công nghệ Thông tin nhằm phát triển ngành y tế điện tử tại Việt Nam Trong đó, các phần mềm tin học quản lý bệnh viện được nâng cấp để phục vụ BAĐT Tuy nhiên, các cơ sở khám chữa bệnh vẫn chưa áp dụng đồng bộ các tiêu chuẩn

dữ liệu kỹ thuật chung và tạo nên nhiều khó khăn cho việc triển khai hệ thống thông tin quản lý bệnh viện

Kết luận: tại chương này, tôi đã trình bày các lý thuyết nền tảng trên mạng De Bruijn

bao gồm một số định nghĩa, tính chất và đặc biệt là lý thuyết tập hợp rời rạc trong việc

mô tả mạng De Bruijn dưới dạng tập hợp Bên cạnh đó, lý thuyết về DICOM và bệnh án điện tử cũng được trình bày, một yêu cầu đặc trưng của chuẩn DICOM là cố định địa chỉ

IP, AETitle và RPC cũng được minh hoạ qua kiến trúc của một hệ thống chẩn đoán hình ảnh (Modality, PACS, Work Station,…)

có thể hoạt động được trên nhiều thiết bị phần cứng khác nhau)

Trong chương này tôi thực hiện các nghiên cứu chuyên sâu về định tuyến trên mạng

De Bruijn và so sánh kết quả với các phương pháp định tuyến kinh điển trên mạng De Bruijn của các tác giả Samantham, Pradhan [8], Liu [6] và Mao [7] Giải thuật định tuyến của tôi sẽ tìm được sẽ tìm được đường đi ngắn nhất trong một số trường hợp mà giải thuật của các nhà nghiên cứu trước chưa tìm được, và công suất tính toán của giải thuật định tuyến được đề xuất cũng là thấp nhất khi so sánh với các giải thuật khác

3.1 Đề xuất cải tiến các giải thuật định tuyến trên mạng De Bruijn

Để minh hoạ cho các giải thuật cải tiến tìm đường đi ngắn nhất, ta thực hiện bài toán như sau, tìm đường đi ngắn nhất giữa node S có địa chỉ 2010111001 đến node D có địa chỉ 1101110002 trên mạng De Bruijn dBG(3,10):

Phương pháp của Samantham và Pradhan [8]: xác định chuỗi giống nhau lớn nhất từ phía bên trái ngoài cùng hoặc phía bên phải ngoài cùng giữa S và D Và sau đó áp dụng phương pháp dịch trái hoặc dịch phải chuỗi địa chỉ từ định tuyến đi từ S đến D Như trong trường hợp với node S có địa chỉ 2010111001 và node D có địa chỉ 1101110002, thì chuỗi giống nhau ngoài cùng bên trái là "2" (ngoài cùng bên trái của S và ngoài cùng bên phải của D), và chuỗi giống nhau là "1" (ngoài cùng bên phải của S và ngoài cùng bên trái của D)

Với chuỗi giống nhau là "2", thì phương pháp dịch phải để đi từ S à D là: (S)

2010111001 à 0201011100 à 0020101110 à 0002010111 à 1000201011 à

26

1100020101 à 1110002010 à 0111000201 à 1011100020 à 1101110002 (D), và chiều dài đường đi là 9

Với chuỗi giống nhau là "1", thì phương pháp dịch trái để đi từ S à D là: (S)

2010111001 à 0101110011 à 1011100110 à 0111001101 à 1110011011 à

1100110111 à 1001101110 à 0011011100 à 0110111000 à 1101110002 (D), và chiều dài đường đi là 9

Ta nhận thấy với phương pháp trên thì đường đi này không phải là đường đi ngắn nhất

Cụ thể, tồn tại đường đi (S) 2010111001 à 0201011100 à 2010111000 à 0101110002

à 1011100020 à 1101110002 (D) Chiều dài đường đi là 5, và đường đi có được nhờ căn cứ vào chuỗi giống nhau "1011100" giữa S và D

Vì vậy dịch phải và dịch trái không phải là trường hợp duy nhất để có thể tìm được đường đi ngắn nhất Hơn nữa, các trường hợp tìm đường đi ngắn nhất được cung cấp bởi

dịch trái 01 lần, tiếp theo dịch phải 02 lần và kết thúc là dịch trái 02 lần), L1R1L2R2, hoặc

liên tiếp, rồi dịch trái, rồi lại dịch phải) (được chứng minh ở định lý phía sau) được Liu

hệ quả cho định tuyến đường đi ngắn nhất trên mạng De Bruijn dBG(d,k)

Định lý 3.1: đường đi ngắn nhất không thể có dạng R 1 L 1 R 2 L 2 hay L 1 R 1 L 2 R 2

?,− 1) Tuy nhiên đường đi R1L’1 thì ngắn hơn R1L1R2 Do vậy giả định l1 ≤ r1

không đúng cho đường đi ngắn nhất R1L1R2L2

• Giả sử l1 ≥ r1, bằng việc dịch trái L1 ta có

LOP… L,(.… (J*OP*, → LOP*,… L,(.… (J*OP*,S, → (,… (J*OP*,S,S:SOP^, → ⋯

→ (TP*OP… (J*OP*,S,S:… STP

Ø Giả sử r2 ≤ l1, bằng việc dịch phải, ta có kết quả sau:

Do đó giả định r2 ≤ l1 là không đúng cho đường đi ngắn nhất kiểu R1L1R2L2

Ø Cho trường hợp r2 ≥ l1 bằng việc dịch phải R2 ta có kết quả

]O=… ],(TP*OP… (J*OP*(O=*TP)*,

Kết quả này có thể đạt được bằng cách dịch L’R’ (l’= l1 – r1, and r’=r2) Từ đây

ta có đường đi ngắn hơn đường đi R1L1R2

Qua các trường hợp trên, ta kết luận đường đi ngắn nhất loại R1L1R2L2 là không tồn tại