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Datenaustausch zwischen Medizingeräten in Echtzeit

18. Mai 2017, 9:47 Uhr | Manne Kreuzer

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Data Distribution Service (DDS)

Das DDS-Protokoll der Object Management Group (OMG) ist ein wichtiger MIoT-Standard, mit dem sich viele Herausforderungen im Gesundheitswesen bewältigen lassen. DDS unterstützt ein datenzentriertes Publish-and-Subscribe-Modell zur Kommunikation und ermöglicht es, dass eine Vielzahl dezentraler Medizingeräte und medizinischer Informationssysteme asynchron und in Echtzeit miteinander kommunizieren können. Es spezifiziert auch ein Wire-Protokoll, das die Interoperabilität von DDS-Implementierungen verschiedener Anbieter sicherstellt. Es eignet sich also hervorragend für die Aufgabe, die Interoperabilität von Medizingeräten sicherzustellen.

DDS unterstützt datenzentrierte Systeme, bei denen der Fokus auf der zeitnahen Verfügbarkeit von Echtzeitinformationen in einer verteilten Umgebung liegt. Dazu implementiert DDS einen ‚Global Data Space‘ (GDS), in dem die Informationseinheit der Abtastwert eines ‚Topics‘ ist, sowie eine typisierte Datenstruktur, die von einer Reihe von Quality-of-Service-Profilen (QoS) begleitet wird, in denen die nichtfunktionalen Merkmale der Daten spezifiziert werden. Das Protokoll kann beispielsweise die Zuverlässigkeit, Dringlichkeit, Wichtigkeit, Persistenz und Sicherheit kontrollieren. Mit DDS kann daher sichergestellt werden, dass Knoten in einer dynamischen und verteilten Umgebung eine konsistente Sicht auf die geteilten Daten erhalten.

DDS spezifiziert hierfür Kommunikationsinteraktionen zwischen Publisher und Subscriber, die:

abgekoppelt vom Raum sind. Die Knoten können also überall sein.
abgekoppelt von der Zeit sind. Die Datenlieferungen können direkt nach Herausgabe erfolgen oder auch später erfolgen.
abgekoppelt vom Fluss sind. Die Lieferung kann entweder zuverlässig oder bestmöglich sein – auch unter Kontrolle der verfügbaren Netzwerkbandbreite.

Diese grundlegenden Prinzipien der DDS-Architektur ermöglichen komplexe medizinische Systeme, die zuverlässig skalierbar sind. Die Skalierbarkeit wird zudem auch durch mehrfach unabhängige Datenkanäle erhöht, die über sogenannte „Keys“ identifiziert werden. Diese Funktion ermöglicht es Knoten, viele – vielleicht Tausende – ähnliche Datenströme mit einem einzigen Abonnement registrieren zu können. Kommen die Daten an, kann die Middleware sie sodann anhand des Schlüssels sortieren und effizient liefern.
Der DDS-Standard definiert:

Eine „Data Centric Publish and Subscribe“-Schicht (DCPS). Sie stellt eine Reihe von APIs bereit, die einen kohärenten Satz standardisierter „Profiles“ bieten. Diese regeln die Verfügbarkeit der Echtzeit-Informationen in Domänen – die von kleinformatigen eingebetteten Steuerungen bis hin zum Informationsmanagementsystemen in Großunternehmen reichen können.
Das Echtzeit Publish-Subscribe-Wire-Protokoll „DDS Interoperability“ (DDSI)

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DDS ist unabhängig von Programmiersprachen und Betriebssystemen. Die DCPS-APIs stehen deshalb in zahlreichen Programmiersprachen zur Verfügung: Darunter Ada, C, C++, C#, Java, Scala, Lua und Ruby. Durch die standardisierten APIs wird sichergestellt, dass DDS-Applikationen auch problemlos zwischen verschiedenen Implementierungen eines Herstellers portiert werden können. DDS kann zudem auch auf zahlreichen Embedded-, Mobile- und Enterprise-Plattformen zum Einsatz kommen.

Auch das automatische „Discovery“ von Informationen unterstützt DDS: DDS-Akteure wie Medizingeräte können Informationen deklarieren, die sie zur Verfügung stellen können. Auch können sie deklarieren, welche Daten sie inhaltlich und auch auf welcher Art und mit welchen QoS erhalten möchten. Das Protokoll verbindet sodann automatisch passende Publisher mit entsprechenden Subscribern. Dies vereinfacht den Prozess der Systemkonfiguration signifikant. Systeme können sich so auch leichter dynamisch weiterentwickeln, da sie Plug&Play für Devices bereitstellen können, die zu einem beliebigen Zeitpunkt ein Netzwerk betreten oder verlassen können.

DDS unterstützt sowohl Unicast- als auch Multicast-IP-Netzwerke, um die Datenlatenz zwischen den Knoten zu minimieren. Es sind hierfür weder zentralen Server noch spezielle Knoten erforderlich, um die Datenflüsse zu regeln. Bei einem DDS-basierten System erfolgt die Datenkommunikation direkt Peer-to-Peer. Ebenso unterstützt DDS die WAN-Konnektivität über das Internet. Standardmäßig nutzen DDS-kompatible Implementierungen zwar UDP zum Austauschen von Daten über LAN, wie im DDSI-Wire-Protokoll spezifiziert. Über WAN und wo UDP nicht möglich ist, kann jedoch auch TCP/IP zum Einsatz kommen.

Zudem bietet DDS den Vorteil des Datenaustauschs mit niedriger Latenz und die unabhängig vom Standort. Dies gilt auch für die Device-to-Device Kommunikation über das Internet und damit auch für Medizingeräte, die Daten veröffentlichen, die von einem anderen Devices oder Cloud-basierten Gesundheitsinformationssystemen abonniert wurden.

Einer prosperierenden Hersteller-Community unterstützt DSS, die standardkonforme Implementierungen entwickelt. Dazu gehören Unternehmen wie die Adlink-Technology-Tochter PrismTech, die die Open-Source- und kommerzielle DDS-Implementierung „Vortex OpenSplice“ entwickelt hat.

Vortex OpenSplice ist eine vollständig interoperable Lösung, die entworfen wurde, um eine außergewöhnliche Skalierbarkeit und Netzwerkperformance in Echtzeit zu bieten und damit die wichtigsten Anforderungen an Gesundheitssysteme der nächsten Generation zu erfüllen. Das Softwarepaket ist praxiserprobt und in vielen unternehmenskritischen Systemen bereits erfolgreich im Einsatz. Dabei reicht das Anwendungsfeld von mobilen Devices über Single-Board-Computer mit Multiprozessoren bis hin zu Großrechnersystemen.

Seit der Einführung ist die Akzeptanz von DDS schnell gestiegen. Heute ist DDS ein beliebter Standard für die Entwicklung und Integration leistungsstarker, interoperabler Echtzeitsysteme. Auch in klinischen Systemen der nächsten Generation kommt DDS zunehmend zum Einsatz, um die Interoperabilität zwischen netzwerkfähigen, intelligenten Medizingeräten und anderen Informationssystemen sicherzustellen und Dank des inhärenten Plug&Play-Supports lässt sich mit DDS ein vernetztes Gesundheitssystem viel leichter und kostengünstiger entwickeln.