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Grids, Kompetenznetze, Gesundheitstelematik: Chancen für eine integrierte Infrastruktur

Rienhoff, Otto; Sehrt, Daniel; Hamer, Berit

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Neue organisatorische und informationstechnologische Ansätze sind erforderlich, um die medizinische Forschung voranzutreiben und die Gesundheitsversorgung zu optimieren.

Die Bundesregierung hat beim „Global Grid Forum“ in Berlin am 9. März angekündigt, den Aufbau eines deutschen Forschungs-Grids (Netz) in den kommenden fünf Jahren mit 20 Millionen Euro jährlich zu unterstützen. Diese Summe soll um weitere 20 Millionen Euro pro Jahr von Großforschungseinrichtungen und um dieselbe Summe von der Industrie aufgestockt werden. Mit den Mitteln wird eine informationstechnologische Dienstleistungsstruktur zwischen den Netzdiensten (zum Beispiel dem Deutschen Forschungsnetz, DFN) und den in den letzten Jahren aufgebauten anwendungsorientierten Forschungsnetzen, wie dem Nationalen Genomforschungsnetz, den Kompetenznetzen und anderen Einrichtungen und Aktivitäten, realisiert. Auch die Gesundheitsforschung wird davon profitieren. Der Aufbau eines Grids trägt dazu bei, die Vernetzung des Wissenschaftsstandorts Deutschland weiter zu stärken und die Forschung zu beschleunigen.
Konkretisierung einer Vision
„Grid“, der englische Begriff für Netz, wurde zunächst im Zusammenhang mit der Stromversorgung verwendet. Das Power-Grid versorgt den Nutzer mit nahezu beliebig viel Energie. Dieser benötigt keine Kenntnis über die Herkunft, Generierung oder Verteilung. Er muss nur in geregelte Verträge mit dem Stromversorger eintreten, um sich die Ressource „Energie“ zugänglich zu machen.
In den vergangenen Jahrzehnten haben Experimente und Simulationsrechnungen in verschiedenen naturwissenschaftlichen Disziplinen, insbesondere der Teilchenphysik und der Astronomie, zu einem rasant steigenden Bedarf an Rechenleistung geführt. Bislang konnten diese großen Datenmengen nur an wenigen Standorten analysiert werden. Aus dieser Situation entstand die Idee, die Rechnerleistung verschiedener wissenschaftlicher Institute zu vernetzen. Damit sollte eine standortunabhängige und kostengünstige Auswertung von Massendaten ermöglicht sowie die ausreichende Verfügbarkeit der Ressource „Rechenleistung“ garantiert werden.
Heute müssen in den Naturwissenschaften, insbesondere der Medizin und Bioinformatik, exponentiell steigende Datenmengen gespeichert und analysiert werden. Hinzu kommt, dass Basisdaten, Ergebnisse und Infrastrukturen immer häufiger international zur Verfügung gestellt werden sollen.
Aus dieser Notwendigkeit entstand Ende der 90er-Jahre die Vision, nicht nur Rechnerleistung, sondern auch Datenbanken, Datenauswertungstools und andere Computerressourcen über eine neuartige IT(Informationstechnologie)-Architektur bereitzustellen. Als wesentliche Eigenschaften sollte diese neuartige Vernetzung „flexible, secure, coordinated resource sharing among dynamic collections of individuals, institutions, and resources“ beinhalten. Als Bezeichnung für dieses Konzept prägten Foster und Kesselmann den Begriff Grid-Computing (1, 2).
Die Entwicklung von Breitbandnetzen ist eine wichtige Voraussetzung für den Aufbau eines Grids. Die große Heterogenität der Daten, unterschiedliche Hard- und Softwarestandards und das Fehlen einer belastbaren Sicherheitsinfrastruktur stellen dabei eine besondere Herausforderung für den Einsatz der Grid-Technologie in breiten Anwendungsfeldern dar.
Auf europäischer Ebene haben sich die gesundheitsbezogenen Projekte im „HealthGRID“-Cluster zusammengefunden, um Anforderungen zu definieren, Erfahrungsaustausch zu ermöglichen und koordiniert an der Entwicklung teilzuhaben.
Anwendungsfelder in der Medizin
Eine Chance, um Grid-Anwendungen zu etablieren, bieten vor allem solche Forschungsgebiete, Wirtschafts- und Dienstleistungsbranchen, die auf große Datenmengen aus dezentralen, heterogenen Quellen zugreifen müssen und/oder aufwendige Berechnungen durchführen wollen. Hierzu gehören viele Projekte im Bereich der klinischen und experimentellen Medizin – sowohl in der Forschung als auch in der Patientenversorgung und Epidemiologie. In diesem Bereich überlappen sich die Vorhaben „Grid“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und „Telematik-Infrastruktur“ des Bundesministeriums für Gesundheit und Soziale Sicherung (BMGS).
Der größte Bedarf für Grid-Technologien besteht in der Medizin voraussichtlich dort, wo genomische mit klinischen Daten korreliert werden. Im Besonderen gilt dies für dynamische Betrachtungen. Langfristig können auch klinische Untersuchungen, die die individuelle genetische Konstitution berücksichtigen, zu einem komplexen Rechen- und Speicheraufwand führen. Darüber hinaus werden künftig nicht nur die molekulare Medizin, sondern auch die funktionelle Bildgebung und die moderne Biosensorik (einschließlich Nano-Technologien) zu einer bisher nicht bekannten Datenmenge pro Patient und Episode führen. Außerdem müssen Datensätze von vielen verschiedenen Institutionen kurzfristig ausgewertet werden – bei höchsten Qualitätsanforderungen im Hinblick auf die Sicherheit und Konsistenz der übertragenen und analysierten Daten (Textkasten 1).
Sicherheitsinfrastruktur und Datenschutz
In der Medizin stehen vor allem Fragen, die eine rechtlich einwandfreie und ethisch vertretbare Bereitstellung von Patientendaten, die Diagnostik, Therapie und Forschung betreffen, im Vordergrund. Dabei müssen Datenschutz und Persönlichkeitsrechte besonders berücksichtigt werden. Diese Aspekte werden von den im letzten Jahrzehnt entwickelten Konzepten für elektronische Krankenakten im Hinblick auf die Daten aus der molekularen Medizin nicht genügend berücksichtigt. Sie sind das Thema einiger Projektanträge zur zweiten Runde des nationalen Genomforschungsnetzes in Deutschland.
Im Umgang mit patientenbezogenen Daten sind höchste Anforderungen an die Sicherheitsinfrastruktur der verwendeten IT-Systeme zu stellen. Ein wichtiger Punkt ist dabei die Authentifizierung von Netzwerkteilnehmern. Identitäten müssen in automatisiert vermittelten Arbeitsprozessen einwandfrei festgelegt und zurückverfolgt werden können. Im deutschen Gesundheitswesen sind hierfür noch viele Vorarbeiten erforderlich. Zurzeit stehen die gesetzlichen Voraussetzungen und die Anforderungen der Wissenschaft noch zueinander im Widerspruch. Die „Certification Authorities“ für die Akteure im Gesundheitswesen, wie die Heilberufe, Patienten und Institutionen, sind trotz zahlreicher Diskussionen verschiedener Konzepte nach nahezu einem Jahrzehnt nicht ansatzweise realisiert (3).
Die Rechner-Technologie wird seit vielen Jahren mit fast konstant hoher Geschwindigkeit exponentiell fortentwickelt. Die stetig wachsende Rechenleistung und Speicherkapazität wird dabei zu immer niedrigeren Preisen angeboten. Dieses Phänomen, auch Mooresches Gesetz (4) genannt, hat sich in der Zwischenzeit über mehrere Technologiesprünge bestätigt. Daraus ergibt sich die Frage, ob nicht etliche der für die Grid-Technologie vorgesehenen Anwendungen – unter anderem die Verfügbarkeit von höchsten Rechen- und Speicherkapazitäten – in vielen Fällen durch den Aufbau von lokalen Ressourcen wirtschaftlicher erreicht werden können. Wie sich das Verhältnis zwischen Rechenleistung und zu verarbeitender Datenmenge künftig entwickelt, ist derzeit nur schwer abschätzbar. Zum jetzigen Zeitpunkt kann die steigende Rechenleistung die exponentiell wachsenden wissenschaftlichen Datenmengen, die sich inzwischen im Petabytebereich bewegen, nicht bewältigen.
Es wäre allerdings einseitig, Grids auf die Bereitstellung von Rechenleistung zu beschränken, da auch Datenbanken, Speicherplatz sowie für einzelne Institute sehr teure Datenauswertungstools und andere Applikationen verfügbar gemacht werden. Die entscheidende Chance eines medizinischen Grids ist möglicherweise vor allem der Zugriff auf und die Analyse von heterogenen, global verteilten Datenbeständen.
Bevor die Grid-Technologie auf Bereiche der medizinischen Forschung und Versorgung übertragen werden kann, muss deshalb nicht nur sorgfältig abgeschätzt werden, wie umfangreich die zukünftigen Datenbestände tatsächlich ausfallen werden, sondern auch welche Analyse- und Versorgungsstrukturen sinnvoll und geeignet sind.
Nicht zuletzt bedarf die Grid-Technologie effizienter und sicherer Management- und Administrationsverfahren, die in einem überschaubaren Bereich wie der Teilchenphysik relativ übersichtlich zu installieren sind, jedoch in anderen Anwendungsfeldern wie den Life-Sciences aufgrund der Heterogenität der Informationen und Zugriffsrechte sowie der Komplexität inhaltlicher Zusammenhänge erhebliche Schwierigkeiten und großen Aufwand erwarten lassen. !
Viele Kritiker einer fortschreitenden medizinischen Vernetzung weisen darauf hin, dass die Möglichkeiten zur Reorganisation des Gesundheitswesens und der gängigen Berufspraxis der Heilberufe bislang nicht ausgeschöpft seien. Im Vordergrund müssten die Reorganisation und nicht weitere neue Technologien stehen. Dabei wird häufig vergessen, dass der Aufbau einer Grid- beziehungsweise Tele­ma­tik­infra­struk­tur – sofern er abgestimmt und sorgfältig durchdacht ist – auch diese notwendige Reorganisation unterstützen und fördern kann.
Chancen und Risiken der Grid-Strukturen und anderer Tele­ma­tik­infra­struk­turen müssen in den nächsten Jahren gegeneinander abgewogen sowie einer sorgfältigen Kosten-Nutzen-Analyse unterzogen werden. Um Fehlinvestitionen zu vermeiden, sollten deshalb anfänglich vor allem Projekte mit überschaubaren Konzepten und erkennbarem wirtschaftlichem Nutzen realisiert werden.
Internationaler Vergleich
Länder, die mit dem verstärkten Einsatz von Informationstechnologie ihre medizinische Forschung und die Gesundheitsversorgung verbessern wollen, finden sich auf allen Kontinenten und in allen Entwicklungsstufen. Aktivitäten auf diesem Gebiet sind in der Regel eher Ausdruck ökonomischer Verhältnisse als einer bestimmten Gesundheitspolitik. Nationale Telematik oder Grid-Initiativen gibt es vor allem in industrialisierten Ländern, in denen es nahe liegt, Erfahrungen und Know-how aus den klassischen Metacomputing-Einsatzgebieten in andere Anwendungsbereiche zu übertragen.
Recht früh haben die Europäische Union, die USA, Kanada und einige europäische Länder begonnen, Grid-Technologie nicht nur in ihren Kerndisziplinen zu fördern, sondern auch zu evaluieren, inwieweit das Konzept in die Medizin und das Gesundheitswesen übertragbar ist (5, 7).
In den vergangenen Jahren hat vor allem die EU in ihrem 5. und 6. Rahmenprogramm mögliche Anwendungen der Grid-Technologie in der Medizin untersucht. Die bisher veröffent-lichten Arbeiten sind allerdings oftmals vage (6, 7). Teilweise entsteht der Eindruck, dass der Begriff „Grid“ lediglich als Modewort für Altbekanntes verwendet wird.
Aufbau nachhaltiger Kooperationsstrukturen
Während eine systematische Förderung und Koordination der nationalen Grid-Projekte in Deutschland kaum stattgefunden hat, verhält es sich mit den Kompetenznetzwerken umgekehrt. Diese sind in Deutschland in den Gesundheitswissenschaften durch die Förderung des BMBF weit entwickelt worden. Die hiesigen Erfahrungen stoßen auch in den USA auf großes Interesse – wohingegen die EU-Ausschreibungen sie kaum reflektieren.
Seit 1998 wurden in Deutschland knapp 30 Kompetenznetze in der Medizin durch das BMBF gefördert. Ziel dieser Förderstrategie ist die Beschleunigung der Forschung sowie ein schnellerer Transfer von Forschungsergebnissen in die Versorgung. Die Telematikplattform für medizinische Forschungsnetze e.V., Berlin, betreut die Kompetenznetze beim Aufbau der informationstechnologischen Infrastruktur. Diese Organisation wurde 2003 in einen eingetragenen Verein umgewandelt, der im Aufbau dem DFN entspricht.
Die medizinischen Kompetenznetze haben teilweise sehr unterschiedliche Anforderungen an die verwendete Informationstechnologie. Aufgrund dessen ist eine Vielzahl organisatorischer, rechtlicher und verfahrenstechnischer Fragen zu lösen, bevor die eine oder andere technische Alternative tatsächlich „ans Netz“ gehen kann. Viele dieser Fragen entsprechen denen, die auch beim Aufbau einer Grid-Infrastruktur von besonderer Bedeutung sind. Die technologische Unterstützung der Kompetenznetze stellt damit ein potenzielles Anwendungsgebiet der Grid-Technologie dar. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, bei künftigen Arbeiten auf den bereits gewonnenen Erfahrungen aufzubauen und so an Zeit zu gewinnen.
Die vom Aktionsforum Telematik im Gesundheitswesen (ATG) und vom BMGS vorangetriebene Telematikplattform für die medizinische Versorgung benötigt eine ähnliche Grundstruktur wie die Forschungsnetze. Das von der Bundesregierung ausgeschriebene Projekt „BIT4Health“ ist zurzeit damit beschäftigt, eine Telematik-Rahmenarchitektur für das deutsche Gesundheitswesen zu entwerfen. Diese soll zusammen mit den Ländern, der Industrie, der Wissenschaft und den Verbänden spezifiziert und in Form einer „Lösungsarchitektur“ konkretisiert werden. Auf dieser Grundlage soll ab 2006 die Einführung der elektronischen Gesundheitskarte und anderer Anwendungen erfolgen. Auch auf der Versorgungsebene müssen die gleichen Fragestellungen wie beim Aufbau ei-ner Forschungsinfrastruktur bearbeitet werden.
Die beiden Entwicklungen zum Aufbau einer Telematik-Infrastruktur im Versorgungs- und im Forschungssektor laufen zeitlich parallel. Hieraus ergibt sich die große Chance, eine einheitliche Infrastruktur für Forschung und Versorgung im Gesundheitswesen zu entwickeln. „Lösungsarchitektur“, Grid-Infrastruktur und Forschungsnetze für die Medizin sollten unter dem Gesichtspunkt von Kosteneffizienz und Entwicklungszeiten unbedingt integrativ entwickelt werden.
Die bisherigen Erfahrungen bei der Etablierung von Infrastrukturen unter Einbeziehung von Informationstechnologie zeigen, dass die bereitgestellten Verfahren von allen Beteiligten – insbesondere den Patienten, aber auch den Ärzten und Wissenschaftlern – erst angenommen und verstanden werden müssen, bevor sie in der Medizin wirksam eingesetzt werden können. Auch die Arbeitsabläufe in Forschung und Versorgung müssen zuvor auf die Einführung und Nutzung entsprechender Verfahren angepasst werden (Textkasten 2).
Zeitliche Perspektiven
Bei den aufgezeigten Möglichkeiten handelt es sich um langfristige Perspektiven. Bis ein umfassendes Infrastrukturkonzept einschließlich einer klaren Technologiebewertung ausgereift ist, vergeht voraussichtlich ein Jahrzehnt. Dieser Zeitrahmen lässt nicht nur eine Klärung und einen schrittweisen Aufbau dieser Technologie zu, sondern ermöglicht es auch, die Akteure in Gesundheitsforschung und -versorgung durch zunehmende praktische Anwendungsbeispiele an die Nutzung heranzuführen.
Die Zeitplanung der Wissenschaftler, die das deutsche D-Grid-Programm in Zusammenarbeit mit dem BMBF entwickeln, ist dieser langfristigen Entwicklung angepasst (8). An Ergebnisse in anderen Ländern soll angeschlossen und somit die durch ein bislang fehlendes deutsches Programm verloren gegangene Zeit aufgeholt werden. Erste Ausschreibungen und Projekte sollen in diesem Jahr starten. Deren Lauf- und Auswertungszeiten werden mehrere Jahre beanspruchen, sodass Fördermittel für diesen Komplex über mehrere Legislaturperioden bereitgestellt werden müssen.
Der Aufbau einer Telematik- beziehungsweise einer Grid-Struktur, sei es in der Forschung oder Versorgung, ist eine anspruchsvolle und hochkomplexe Aufgabe. Sie erfordert ein besonderes Maß an Kommunikation zwischen allen Beteiligten. Die bestehenden heterogenen Systeme müssen aufeinander abgestimmt und die neue Infrastruktur für Gesundheitsdienstleister, Anwender und Patienten transparent gestaltet werden. Die Arbeiten an Grid-Lösungen werden die bisherigen Arbeiten auf diesem Gebiet weiter fördern. Gleichzeitig werden mit einem überregionalen Einsatz und mit dem Fortschreiten der individualisierten Medizin neue Anforderungen auftauchen. Der umfassende Einsatz der Technologie kann nicht in einem Zug erreicht werden, sondern vielmehr in kleinen Schritten. Da ohne Informationstechnologie eine patientenorientierte Verarbeitung der immer umfangreicher und komplexer werdenden medizinischen Individualdaten nicht mehr möglich ist, wird eine strategische IT-Planung für alle Einrichtungen im Gesundheitswesen zunehmend wichtiger.
Schlussfolgerungen
Die unter den Schlagworten „Grid“ und „Gesundheitstelematik“ entstehenden informationstechnischen Infrastrukturen im Gesundheitswesen werden zurzeit von Politik, Verbänden und Institutionen vorangetrieben. So besteht die Chance, eine einheitliche Infrastruktur sowohl für den medizinischen Forschungs- als auch für
den Versorgungsbereich zu entwickeln. Begleitend sind Chancen und Risiken der neuen Infrastruktur gegeneinander abzuwägen. Insbesondere müssen die Lösungen gesellschaftlich konsensfähig gestaltet werden.
Wird diese Aufgabe entsprechend wahrgenommen, können in Zukunft Leistungen des Gesamtsystems effizienter erwirtschaftet werden als bisher. Grid, Kompetenznetze, Genomforschungsnetze und Transregio-Sonderforschungsbereiche sind unterschiedliche organisatorische und technologische Ansätze, die sich dem gemeinsamen Ziel einer optimierten vernetzten Gesundheitsinfrastruktur von verschiedenen Seiten nähern und gegenseitig ergänzen. Eine technologische Neuorientierung zur Handhabung der zunehmend komplexeren Datenbestände in der Forschung und der Patientenversorgung ist möglich.
Das Beispiel Deutschlands hat das Potenzial, international Aufmerksamkeit hervorzurufen. Deutschland könnte für andere Länder eine Vorreiterrolle spielen. Ob und wie diese Rolle von den Akteuren in Deutschland wahrgenommen und ausgefüllt wird, bestimmt wesentlich über die Exportfähigkeit der in Deutschland entwickelten Vorstellungen, Konzepte und Technologien für Lösungen in der Gesundheitsforschung und -versorgung. Die Herausforderung, eine einheitliche IT-Infrastruktur zu schaffen, muss deshalb rasch und entschlossen angegangen werden.

zZitierweise dieses Beitrags:
Dtsch Arztebl 2004; 101: A 1791–1797 [Heft 25]

Literatur
1. Foster I, Kesselmann C: The Grid: Blueprint for a New Computing Infrastructure. San Francisco: Morgan Kaufmann 1999.
2. Foster I, Kesselmann C, Tuecke S: The Anatomy of the Grid: Enabling Scalable Virtual Organisations. Intl. J. Supercomputer Applications 2001; 15 (3).
3. Dierks C, Feussner H, Wienke A (Hrsg.): Rechtsfragen der Medizin. Schriftenreihe Medizinrecht. Heidelberg: Springer, 2001.
4. Tuomi I: The lives and deaths of Moore´s Law. First Monday 2002; 11.
5. www.es.net/hypertext/welcome/pr/Roadmap/Road
map_TOC-Sect%202.pdf; DOE Science Networking Challenge: Roadmap to 2008.
6. Beolchi L (ed.): Telemedicine Glossary 5th edition. Working Document. Brüssel: European Commission, 2003.
7. www.cordis.lu/ist/grids/index.htm; Next Generation Grid(s), European Grid Research 2005–2010. Expert Group Report, Brüssel 2003.
8. www.d-grid.de; Strategiepapier – D-GRID: Auf dem Weg zur e-Science in Deutschland.

Anschrift für die Verfasser:
Prof. Dr. med. Otto Rienhoff
Abteilung Medizinische Informatik
des Bereichs Humanmedizin
Georg-August-Universität Göttingen
Robert-Koch-Straße 40
37075 Göttingen
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