Jedes Mal, wenn ein Arzt eine Patientenakte aktualisiert, ein Labor einen Testbericht herausgibt oder eine neue Forschungsarbeit veröffentlicht wird, erreicht der Tsunami von Gesundheitsdaten neue Höhen. Mit einer geschätzten Rate von 36 % pro Jahr wachsen die Daten im Gesundheitswesen sogar noch schneller als die Daten in den Bereichen Medien, Produktion und Finanzen. Und damit steigt auch die Notwendigkeit, diese wichtigen Daten zur Verbesserung der Qualität im Gesundheitswesen und zur Kostenkontrolle zu nutzen.
Zwei gewaltige Hindernisse stehen jedoch der Ausschöpfung des vollen Potenzials von Big Healthcare Data im Wege. Erstens sind die meisten Gesundheitsdaten (z. B. Arztnotizen) unstrukturiert, was die Analyse und den Austausch elektronischer Gesundheitsdaten erschwert. Darüber hinaus regelt der US Health Insurance Portability and Accountability Act (HIPAA) den Zugang zu geschützten Gesundheitsdaten streng und bestraft Verstöße gegen die Privatsphäre der Patienten.
„Daten aus dem Gesundheitswesen sind eine sehr interessante Herausforderung“, sagt Dr. Karuna Joshi, Associate Professor of Information Systems an der University of Maryland, Baltimore County (UMBC) und Direktorin des UMBC Center for Accelerated Real Time Analytics. „Das meiste davon sind Textdaten und sehr sensible Daten, die nicht ohne weiteres geteilt werden können. Diese riesige Datenmenge muss jedoch weitergegeben werden, vor allem angesichts der Situation um COVID-19. Wie analysiert man also die Daten, ohne gleichzeitig die Privatsphäre und die Sicherheit zu beeinträchtigen?“
Automatisierung
Bereitstellung von Cloud-Services für eine wegweisende Forschungsstudie im Gesundheitswesen, um die HIPAA-Bestimmungen zu automatisieren und den Zugriff auf verschlüsselte Daten zu beschleunigen
Lösungen für Studierende
Bietet eine Bildungslösung in der Cloud an, um Professoren bei der Ausbildung von Studierenden der Informatik und Elektrotechnik zu unterstützen
Das Datendilemma wird durch die schiere Menge an Gesundheitsdaten, auf die zugegriffen werden muss, noch verschärft. „Wir haben Milliarden von Gesundheitsdaten und wir brauchen Systeme, die diese Informationen automatisch verarbeiten, weil die manuelle Verarbeitung einfach zu zeitaufwändig ist“, sagt Dr. K. Joshi.
Dr. K. Joshi und ihr Datenanalyseteam an der UMBC sahen einen dringenden Bedarf an Forschungstools, die trotz der Hürden durch unstrukturierte Daten und Datenschutzbestimmungen den Zugriff auf große Gesundheitsdaten beschleunigen und automatisieren können würden. Aber um diese komplexe Forschung zu unterstützen, brauchte man Rechenressourcen, die über die Möglichkeiten der typischen Laptop-, Desktop- und IT-Altsysteme hinausgingen. „Durch IBM habe ich die Cloud-Technologie und das virtuelle Computing kennengelernt und die Zusammenarbeit mit IBM Cloud for Education war eine logische Konsequenz“, sagt Dr. K. Joshi.
Als Dr. K. Joshi und ihr Forschungsteam begannen, Möglichkeiten zur Analyse von stark regulierten und verschlüsselten Gesundheitsdaten zu untersuchen, drehte sich eine der wichtigsten Fragen um die Verschlüsselung. „Im Gesundheitswesen geht es um schnelles Verstehen und Entscheiden. Wenn man aber anfängt, die riesigen Datenmengen zu entschlüsseln, dauert das Tage“, sagt Dr. K. Joshi. „Wie kann man also dafür sorgen, dass die Daten verschlüsselt bleiben und gleichzeitig die Algorithmen und Mechanismen zur Zugriffskontrolle funktionieren? Denn wenn man diese riesige Menge an verschlüsselten Daten hat und sie ohne Entschlüsselung abfragen möchte, wird das zu einem computertechnischen Alptraum.“
Durch die Entwicklung neuer Ansätze, die Verschlüsselung und semantische Schlussfolgerungen nutzen, konnte das Forschungsteam von Dr. K. Joshi kleine Schnappschüsse der Daten erstellen und kleine Abschnitte des Datensatzes entschlüsseln. So gelang es, die benötigten Informationen zu extrahieren, ohne viel Zeit für die Entschlüsselung aufzuwenden. „Die Innovation, die wir hier versuchen, ist die Verwendung von KI-Ansätzen und Deep Learning, um ohne Entschlüsselung der Daten auf die entsprechenden Informationen zuzugreifen“, sagt Dr. K. Joshi.
Mit Hilfe des IBM Cloud® for Education-Tools zur Optimierung dieser Strategie hat das UMBC-Team kürzlich zwei wichtige Forschungsarbeiten zu diesem Thema veröffentlicht, darunter „A Semantically Rich Knowledge Graph to Automate HIPAA Regulations for Cloud Health IT Services“ (Ein semantisch reichhaltiger Wissensgraph zur Automatisierung von HIPAA-Vorschriften für cloudbasierte Gesundheits-IT-Dienste) für die Big Data Security 2022 Conference und „Delegated Access Control using Attribute-Based Encryption“ (Delegierte Zugriffskontrolle mit attributbasierter Verschlüsselung), gesponsert vom Office of Naval Research.
„Unsere semantischen Schlussfolgerungen und Verschlüsselungsansätze wurden von der Forschungsgemeinschaft sehr gut aufgenommen“, sagt Dr. K. Joshi. „Unternehmen verfügen über Richtlinien und Organisationen über Regeln, wie die Daten verschlüsselt und über das Internet gesendet werden sollen. Diese Regeln können derzeit nicht automatisiert werden, weshalb es unser Ziel ist, diese Richtlinien zu automatisieren.“
Sie fährt fort: „Die Cloud ist eine großartige Lösung für diese Arbeit, weil sie jederzeit verfügbar ist. Jeder kann sie einfach teilen. Da die Rechenanforderungen für unsere Forschung enorm sein werden, wird die Cloud für unsere Arbeit sehr wichtig sein. Dementsprechend begeistert ist die Forschungsgemeinschaft von der Idee, aber auch die medizinische Community, mit der wir in Kontakt stehen.“
Dr. Anupam Joshi ist der Oros Family Professor und Chair des Fachbereichs Computer Science and Electrical Engineering (CSEE) an der UMBC. Seit Jahren nutzt er IBM Cloud for Education zur Unterstützung seiner Forschungsprojekte.
„Ich führe zum Beispiel derzeit ein Projekt mit den USA und Japan durch, um die soziale Isolation in der älteren Bevölkerung zu verstehen“, sagt Dr. A. Joshi. „Diese Studie stützt sich auf Audiodaten aus Gesprächen. Dabei leisten die Analysetools der IBM Cloud hervorragende Arbeit, wenn es darum geht, den Tonfall und die Stimmung von Gesprächen zu erfassen und gleichzeitig die Privatsphäre zu wahren."
Dr. A. Joshi berät auch Doktoranden, die IBM Cloud für Forschungsprojekte und die Entwicklung von Abschlussarbeiten nutzen. „Das Feedback meiner Doktoranden ist durchweg positiv“, sagt er. „Als zum Beispiel einer von Ihnen auf ein Problem stieß, wurde es innerhalb einer Stunde behoben. Die Studierenden haben einen engen Zeitplan und sind sehr dankbar dafür, dass ein Unternehmen von der Größe von IBM Anfragen so schnell bearbeitet.“
Aufgrund seiner Forschungserfahrung mit IBM Cloud for Education hat sich Dr. A. Joshi für die Education Solutions on IBM Cloud-Plattform entschieden, um den anspruchsvollen UMBC Computer Engineering Kurs über Betriebssysteme zu unterrichten. „Abgesehen von Algorithmen sind Betriebssysteme einer der schwierigsten Kurse in einem guten Informatik-Lehrplan“, sagt Dr. A. Joshi. „Um die von diesem Kurs geforderten Aufgaben zu bewältigen, verlagern wir diesen Kurs in die IBM Cloud, um die Vorteile der Skalierbarkeit der Cloud zu nutzen.“
Während des Kurses müssen die Studierenden Änderungen am Linux®-Kernel vornehmen und das Betriebssystem mit ihrem eigenen Kernel neu starten. „Das Kompilieren eines Linux-Kernels kann auf dem eigenen Rechner sehr viel Zeit in Anspruch nehmen und man muss eine ‚Big Box‘ einrichten“, sagt Dr. A. Joshi. „Aufgrund der elastischen Nachfrage können wir die Virtual Machines in der Cloud während des Semesters hochfahren, wenn Projekte anstehen.“
Studierende der UMBC werden auch die Möglichkeit haben, auf Virtual Machines in der IBM Cloud zu arbeiten, wo sie experimentieren, ihre Arbeit verwalten und VM-Erfahrung sammeln können, um sich auf eine Tätigkeit im Bereich Computertechnik vorzubereiten.
Die cloudgestützte Computerausbildung trägt der Tatsache Rechnung, dass viele Studierende aus unterversorgten Bevölkerungsgruppen stammen und sich keine leistungsstarken Laptops leisten können. „Die Botschaft der UMBC ist ‚integrative Exzellenz‘. Wir akzeptieren alle, die zu uns kommen, und bemühen uns sehr, ihnen die Mittel für einen erfolgreichen Abschluss zur Verfügung zu stellen“, sagt Dr. A. Joshi. „Anstatt teure, hochmoderne Rechner kaufen zu müssen, haben wir die Ressourcen der IBM Cloud, um ihnen Zugang zu Hardware und Software zu geben, die sie auf ihren eigenen Rechnern vielleicht nicht haben.“
Neben IBM Cloud for Education und Education Solutions on IBM Cloud tragen auch andere Lösungen und Services von IBM zur Forschung und Lehre der UMBC bei:
- IBM Cloud Bare Metal Server, auf denen IBM Cloud for Education-Workloads auf vollständig dedizierten Servern ausgeführt werden, um maximale Leistung und eine sichere Single Tenancy zu gewährleisten.
- IBM® Cloud Satellite Infrastructure Service, eine verteilte Cloud-Lösung, mit der sich Anwendungen in Public Clouds, On-Premises-Rechenzentren und Edge-Computing-Systemen bereitstellen und ausführen lassen.
- IBM Cloud App ID , um Authentifizierung hinzuzufügen, Backends und APIs zu sichern und benutzerspezifische Daten für mobile und Web-Anwendungen zu verwalten.
- IBM Cloud Object Storage mit flexiblem, kostengünstigem und skalierbarem Cloud-Speicher an Remote-Standorten für unstrukturierte Daten wie Krankenakten und Bilddaten.
- IBM Db2® on Cloud, eine verwaltete SQL-Cloud-Datenbank mit KI-Funktionen, die ein dediziertes Betriebsteam, Point-in-Time-Recovery und unabhängige Skalierung für Unternehmensanwendungen bietet.
- Red Hat OpenShift on IBM Cloud zur Automatisierung von Aktualisierungen, Skalierung und Bereitstellung mit der nötigen Resilienz, um ungeplante Schwankungen zu bewältigen.
IBM Cloud for Education ist der Höhepunkt einer jahrelangen Zusammenarbeit zwischen IBM und Hochschulen und Universitäten in ganz Amerika und Europa. „IBM Cloud for Education basiert auf einer Lösung, die IBM vor fast zwei Jahrzehnten entwickelt hat: das Virtual Computing Lab (VCL). North Carolina State war die federführende Institution und UMBC hat sich schon früh daran beteiligt“, sagt Dr. A. Joshi. „Es war eine der ersten Cloud-Lösungen, die speziell für den Bildungsbereich entwickelt wurde – und das zu einer Zeit, als der Begriff ‚Cloud Computing‘ noch nicht wirklich geläufig war.“
„IBM ermöglichte mir den Zugriff auf die VC, wodurch ich mit der Cloud-Technologie und Virtual Machines in Kontakt kam“, sagt Dr. K. Joshi. „IBM war auch sehr offen für die Zusammenarbeit mit Forschern und den Austausch von Informationen und Ideen. Wenn ich eine Idee habe, weiß ich, dass ich jemanden finden kann, der sich damit befassen kann.“
Sie erinnert sich zum Beispiel daran, wie ein Jurist von IBM zu einem Vortrag an die UMBC kam und sich später mit ihr traf, um einige der rechtlichen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Einhaltung von Daten zu besprechen. „Der Jurist nahm sich eine halbe Stunde Zeit für mich. Es kommt wirklich selten vor, dass man Forschungsideen mit dem Rechtsbeistand eines großen Unternehmens besprechen kann. Und das ist ein weiterer Grund, warum unsere Beziehung zu IBM Cloud funktioniert.“
Im Herbst 2022 wird Dr. K. Joshi einen Kurs über Datenanalyse für Fortgeschrittene anbieten und plant, Ressourcen aus der IBM Cloud for Education zu nutzen, um ihre Studierenden zu unterstützen. „Ich habe mir überlegt, ob ich meinen Studierenden Zugang zu den Analysetools von IBM Watson verschaffen soll. Sie möchten die Software erlernen, damit sie nach ihrem Abschluss Experten sind. Das ist also eine der von mir angestrebten Kooperationen.“
IBM Cloud for Education unterstützt nicht nur die akademische Forschung und Lehre, sondern wurde auch als universelle Cloud-Plattform entwickelt. Sie kann die geschäftliche Seite von Universitäten unterstützen. Gleichzeitig kann ein Anwendungslabor auf der Plattform andere IBM Services integrieren, die für Fakultätsmitglieder von Interesse sein könnten, darunter KI, Blockchain, IoT und andere Lösungen.
IBM Cloud for Education wird auch vom IBM Center for Advanced Studies (CAST) unterstützt, das die Beziehungen zu den Universitäten für eine der größten IBM-Entwicklungsgemeinschaften verwaltet, zu denen auch UMBC und viele andere nordamerikanische Hochschulen gehören.
„Wir glauben, dass IBM Cloud for Education der richtige Weg für die Zukunft ist. Dies gilt insbesondere für spezialisierte Kurse, die besondere Hardware- und Softwarekombinationen benötigen, wie z. B. Computertechnik und Computersicherheit“, sagt Dr. A. Joshi. „Wir werden die Möglichkeiten weiter ausloten und die Begeisterung für diese Computing-Ressource für uns nutzen.“
UMBC (Link befindet sich außerhalb von ibm.com) ist eine öffentliche Forschungsuniversität, die für innovative Lehre, herausragende Forschung und eine unterstützende Community bekannt ist, die wissbegierige Köpfe fördert und inspiriert. Die UMBC hat 14.000 Studierende und Doktoranden und ist eine der integrativsten Bildungsgemeinschaften des Landes. US News & World Report stuft UMBC in den Bereichen Lehre und Innovation auf Platz 6 ein. Darüber hinaus zählt die NSF die UMBC zu den besten Universitäten des Landes in Bezug auf staatliche Forschungsförderung, insbesondere im Bereich der NASA und der Sozialwissenschaften. Die Universität trägt zur wirtschaftlichen Entwicklung bei, indem sie Partnerschaften mit der Regierung und der Wirtschaft eingeht, die das Unternehmertum, die Ausbildung von Arbeitskräften, die Schulbildung und die Vermarktung von Technologien fördern.
Rechtshinweise
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Hergestellt in den Vereinigten Staaten von Amerika, Januar 2022.
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