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권 류(유)
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1 논문 한국통신학회논문지 '11-03 Vol. 36 No. 3 M2M을위한 U-헬스케어응용서비스기반 IEEE 11073/HL7 변환게이트웨이설계및구현 정회원천승만 *, 나재욱 *, 종신회원박종태 * Design and Implementation of IEEE 11073/HL7 Translation Gateway Based on U-Healthcare Application Service for M2M Seung-Man Chun*, Jae-Wook Nah* Regular Members, Jong-Tae Park* Lifelong Member 요 약 21세기의료서비스패러다임이사후치료에서사전예방및관리중심으로바뀜에따라 M2M 기반의 U-헬스케어응용서비스가점차로중요해지고있다. M2M 기반의 U-헬스케어응용서비스는휴대단말에장착된센서를통해생체정보를측정하여, 원격지에있는의료진이만성질환자혹은일반인의건강상태를실시간에관리가가능하도록한다. 본논문에서는국제표준기반의 M2M을위한 U-헬스케어응용서비스기반 IEEE 11073/HL7 변환게이트웨이구조를설계및구현하였다. 구체적으로, 생체신호측정을위한에이전트장치와처리를위한매니저장치간의생체정보교환을위한 ISO/IEEE 표준과다양한보건의료정보시스템간의데이터교환을위한 ANSI HL7 간프로토콜변환게이트웨이를설계및구현하였다. 최종적으로제안된구조의기능검증을위해, 개발된게이트웨이를사용하여생체신호측정센서 (ECG, SpO2) 를활용하여측정, 수집및처리하는 M2M을위한 U-헬스케어응용서비스기반 IEEE/HL7 변환게이트웨이를개발하였다. Key Words : M2M Communication, U-Healthcare, ISO/IEEE11073ㆍHL7 Gateway ABSTRACT As the 21st century paradigm of healthcare service changes from post-therapeutic treatment to disease prevention and management in advance, the M2M-based u-healthcare application service is increasingly important. M2M-based u-healthcare application service uses mobile handsets equipped with sensors to measure vital information, and the medical staff in remote locations can manage the health of the patient or the public in real time. In this paper, IEEE/HL7 translation gateway, utilizing the gateway based on M2M u-healthcare application service structure, which is based on international standards, has been designed and implemented. Specifically, the gateway between ISO / IEEE standards and ANSI HL7 has been developed. The former defines the protocol for the exchange of information between the agent device and the manger devices for measuring and handling biological signal, and the latter defines the application layer protocol for the exchange of various healthcare information systems. Finally, in order to demonstrate the functionality of the proposed architecture, the M2M-based U-healthcare application service based on IEEE/HL7 translation gateway, utilizing the gateway, has been developed which can measure, collect and process a variety of vital signs such as ECG or SpO2. 본연구는지식경제부및정보통신산업진흥원의대학 IT 연구센터지원사업 (NIPA-2011-(C )), 2 단계 BK21 프로젝트의연구결과로수행되었음. * 경북대학교전자전기컴퓨터학부정보통신망신기술연구실 ({smchun, jwnah, jtpark}@ee.knu.ac.kr) 논문번호 :KICS , 접수일자 :2010 년 11 월 30 일, 최종논문접수일자 : 2011 년 3 월 18 일 275

2 한국통신학회논문지 '11-03 Vol. 36 No. 3 Ⅰ. 서론 21세기의료서비스패러다임이사후치료에서사전예방및관리중심으로바뀜에따라 M2M 기반의 U-헬스케어응용서비스가점차로중요해지고있다. M2M 기반의 U-헬스케어응용서비스는휴대단말에장착된센서를통해생체정보를측정하여원격지에있는의료진으로전송함으로써만성질환자혹은일반인의건강상태를실시간으로진료및관리하는것이다. 장치간통신을위한 M2M (Machine-to-Machine) 기술은장치들에대해사람의조작없이서로간에통신이가능하게하는기술이다. 즉다시말해서, U-헬스케어응응서비스에서는, 원격지에서장치조절메시지를통해일반인또는환자의모니터링장치들을관리 / 감독하는기술을말한다. 이러한 M2M 기술은미래에유비쿼터스헬스케어시스템, 센서네트워크시스템, 네트워크임베디드시스템과정보처리시스템등의응용서비스에중요한역할을할것으로전망되고있다 [1]. 특히, M2M 기반유비쿼터스헬스케어서비스 (Ubiquitous-Healthcare Service) 는인구고령화됨에따라각종질병에대한예방및치료를위해많은연구기관및산업에서많은관심을끌고있다 [2][3]. 특히, U-헬스케어원격모니터링서비스는유비쿼터스헬스케어서비스중하나로써전세계적으로많은연구가진행되고있다 [2],[4]. U-헬스케어원격모니터링서비스 (Ubiquitous Healthcare Remote Monitoring Service) 이란, 의료기술과정보통신기술을융합하여언제어디서나예방, 진단, 치료, 사후관리등에대한의료서비스를제공하는것이다. 자세히는, U-헬스케어서비스시스템은유 / 무선측정장치로부터수집된생체정보 ( 체중, 혈당, 운동량, 심전도, 호흡, 체온, 콜레스테롤, 산소포화도등 ) 를유 / 무선네트워크 (3G/WiFi/WiBro 등 ) 를통해원격지에있는건강관리사나, 주치의로원격으로건강관리및의료서비스를제공하는것이다. 이러한 U-헬스케어모니터링서비스를위해서는크게 4가지의기술의융합이필요하다. 이는각종건강기기로부터생체정보를센싱하는센싱기술, 센싱된정보를취합하여유무선통신을통해전송하는취합및전송기술, 수집된개인생체정보를분석하는분석기술, 마지막으로이를분석하여건강상태의변화를사용자에게알려주는피드백기술이다. 센싱기술에는개인건강기기 ( 체중계, 운동측정기기, 심전도측정장치, 체온계등 ) 가사용되며, 취합기술에는개인휴대단말, 노트북, 건강정보취합기등이사용된다. 이렇게측정된생체정보는유 / 무선통신을통해건강및생체정보데이터베이스 (PHR: Personal Health Record [5] ) 로전송되며, 이는주치의또는건강관리사에의해분석되고분석된건강상태의변화는대상고객에게원격으로건강관리및의료서비스를제공하게된다. M2M 기반의 U-헬스케어모니터링서비스를위해서는장치간상호호환성 / 상호운용성이중요하다. 이를위해국제표준 (IEEE [6], HL7 [7], DICOM 등 ) 에대한표준화가진행중에있고이를적용한많은제품이출시되고있다. 하지만, 현재개인건강기기는제조사별고유의소프트웨어와통신프로토콜이내장되어개발되어있고, 또한이들은비공개되어있기때문에개발된개인건강기기의데이터를이용한상호운용성이어렵다. 이러한문제점을해결하기위해 IEEE PHD (Personal Health Data) Working Group에서표준화가진행되었고, 현재출시되고있는여러종류의개인건강기기들은 ISO/IEEE PHD 표준에준하고있다. 개인휴대단말로부터측정된생체정보데이터가 PHR (Personal Health Record) 에데이터베이스화되기위해서는응용계층표준프로토콜인 HL7 CDA (Health Level Seven) 표준 [7] 에따라야한다. 하지만국제표준 HL7 CDA는병원시스템간의료정보전달을위한프로토콜이기때문에, 개인건강기기로부터측정된생체정보가 IEEE PHD 표준에준하여전달된다고하더라도 HL7 CDA 프로토콜과연동될수없다. M2M 기반의 U-헬스케어모니터링서비스를가능하게하기위해서는 IEEE PHD과 HL7 CDA간메시지변환게이트웨이가필요하다. 이러한 ISO/IEEE 11073와 HL7 CDA 간메시지변환게이트웨이를통해원격지에있는의료진이사용자의휴대단말에연결된센서들을실시간으로관리 ( 데이터량, 데이터의주기등 ) 함으로써개인맞춤형진료또는관리가가능하게된다. 본논문에서는 M2M을위한 U-헬스케어응용서비스기반시스템구조및 IEEE 11073/HL7 변환게이트웨이의구조를제시한다. 2장에서는 U-헬스케어응용서비스를위한국제표준프로토콜에대한분석과동향, 국제표준기반 276

논문 /M2M 을위한 U- 헬스케어응용서비스기반 IEEE 11073/HL7 변환게이트웨이설계및구현 기존응용서비스의분석하고, 3장에서는제안된 U- 헬스케어응용서비스기반 M2M을위한 U-헬스케어응용서비스의구조를제시하고, 4장에서는응용서비스구조를구현한결과및분석을한다. 마지막으로 5장에서결론을맺는다. Ⅱ.

3 논문 /M2M 을위한 U- 헬스케어응용서비스기반 IEEE 11073/HL7 변환게이트웨이설계및구현 기존응용서비스의분석하고, 3장에서는제안된 U- 헬스케어응용서비스기반 M2M을위한 U-헬스케어응용서비스의구조를제시하고, 4장에서는응용서비스구조를구현한결과및분석을한다. 마지막으로 5장에서결론을맺는다. Ⅱ. U-헬스케어응용서비스를위한국제표준프로토콜그림 1는 U-헬스케어서비스를위한서비스구조를나타낸다. 그림 1에보이는것과같이개인건강의료기기로부터측정된생체정보데이터가해당의료진으로전송되기위해국제표준 WBAN/ WPAN, IEEE 11073과 HL7이사용된다. 그리고, 이러한여러표준간상호호환성검증을수행하는기관인 Continua Health Alliance에대해알아본다. 본장에서는이러한여러국제표준에대해자세히알아본다. 2.1 WPAN/WBAN WBAN (Wireless Body Area Network) 는개인신체의위또는속에서의무선장치들간의단일네트워크 [8] 로정의하고, WPAN (Wireless Personal Area Network) 기술은개인으로부터가까운곳에서의 10 m 이내의무선통신기술로정의하고있으며, 이두근거리통신망기술은 U-헬스케어서비스에서인체의생체정보를수집및측정하여사용자의싱크장치 ( 또는이동단말 ) 로전송하기위한표준으로사용된다. WBAN 기술에서응용기술은크게의료응용과비-의료응용으로분류하며, 의료응용에는생체정보 (ECG/EEG/EMG, Pulse Oximetry, Respiration, Carbon Dioxide, Blood Pressure, Blood Sugar, Humidity, Temperature 등 ) 레벨을측정하는응용을말하며, 비-의료응용은엔터테인먼트 (Wearable 비디오, 오디오등 ) 등의응용을말한다. WPAN (Wireless Personal Area Network) 기술에사용되는전송인터페이스는 Bluetooth Low Energy, UWB (ECMA-368), Bluetooth 3.0+High Speed, ZigBee (IEEE ), Insteon, Z-Wave, ANT, RuBee (IEEE ), RFID (ISO/IEC ) 등이있다 [8]. 이러한 WPAN/WBAN 기술의특징은인체외통신에서는주로, 2.4 GHz ISM, 3.1 GHz ~ 10.6 Ghz의주파수대역이사용되며, 인체내통신에서는 131 KHz, Khz, 900 MHz ISM, 902~924 MHz의주파수대역이사용된다. 데이터최대전송률은각장치에따라 9.6 Kb/s ~ 480 Mb/s까지지원한다 [8]. WBAN/WPAN는표준화기구인 IETF (Internet Engineering Task Force에서 IEEE WG, IEEE TG6에서활발한연구가진행되고있다. IEEE TG는 Body Area Network를위해 PHY과 MAC 계층의표준을진행하고있다. 2.2 ISO/IEEE11073 PHD ISO/IEEE PHD는에이전트장치 ( 생체신호측정장치 ) 와매니저장치 (Cell Phone, 개인컴퓨터, 게이트웨이등 ) 들간의건강정보교환을위한표준및프로토콜을정의한다 [6]. 그림 2는 U-헬스케어서비스의구조를나타낸다 [6]. U-헬스케어서비스구조는크게원격지원서비스, 매니저장치, 에이전트장치로구성된다. 에이전트장치 (Blood pressure monitors, Weighting scales 등 ) 는개인또는개인들의정보를수집하여디스플레이또는전송을위해매니저장치 (Cell phone, Health appliance, Personal Computer) 로전달된다. 이과정에서 IEEE11073 PHD 표준은매니저장치와에이전트장치간에데이터포맷컨버팅, 프로토콜교환, 전송프로토콜을정의한다. 이표준 그림 1. U- 헬스케어서비스구조 그림 2. U- 헬스케어시스템의구조 277

4 한국통신학회논문지 '11-03 Vol. 36 No. 3 은 OSI 7계층에서 5-7계층의프로토콜을정의하고있으며, 1-4계층의인터페이스는 Bluetooth, USB, Zigbee 등의다양한전송기술들이사용될수있다. 장치간상호호환성을위해 ISO/IEEE 11073에서는 ISO/IEEE [6] 을정의하고있다. ISO/IEEE 은최적화된교환프로토콜을제시하는부분으로다양한에이전트를지원하기위해애플리케이션계층서비스와에이전트와매니저간의데이터교환프로토콜을정의한다. ISO/IEEE PHD 표준은에이전트와외부시스템간의기능을다음의 3가지모델로구성된다 [6]. Domain Information Model (DIM): 객체지향적모델 (Object-Oriented Model) 로, 에이전트의오브젝트를정의한다. 각각의오브젝트는하나이상의속성 (Attributes) 을가지고있다. 각속성은측정데이터또는에이전트의기능을나타낸다. 서비스모델 (Service Model): 에이전트와매니저간데이터를접근하는방법을정의한다. 데이터를접근시 DIM에정의된형식으로접근이가능하다. 서비스모델의 Command는 GET, SET, ACTION, Event Report 등으로구성된다. 통신모델 (Communication Model): 하나의매니저와하나이상의에이전트간의 Point-topoint로연결되는통신모델을정의한다. 에이전트와매니저간에유한상태장치의연결상태 (Finite State Machine) 를 Connection, Association, Operation 등으로구분되어동작된다. 그리고통신을위한 DIM의데이터전송을위한데이터변환기능도수행한다. 2.3 HL7 CDA (Health Level Seven Clinical Document Architecture) HL7 (Health Level 7) 표준은 OSI 7 계층에서응용계층에해당하는의료정보교환프로토콜로써의료서비스공급자 ( 병원, 장기요양기관, 건강클리닉등 ) 가사용하는환자의업무관리, 일반처방, 환자의뢰, 회계관리, 환자진료, 의무기록 / 정보관리등의료분야에서사용하는모든메시지를획일화되게하기위해정의되었다 [7]. 이표준의주목적은환자, 의사, 병원등의료행위에관련된객체들사이에서송수신데이터를제 공하는기기 ( 건강측정기기, 컴퓨터, 휴대폰등 ) 및제공받는기기의인터페이스나형식에구애받지않고정보를교환하고의료데이터의융통성있는전달과비용효과적인접근법, 기준, 지침, 방법론, 그리고의료서비스정보시스템사이의상호운영에관한서비스를지원하는것이다. 이로인해여러의료서비스기관의독립된시스템들을조정하는데전세계적으로사용되고있다. HL7 CDA는메시지구조 ( 메시지의추상적정의 ), 코딩규칙, 트리거이벤트로총 3가지의대상으로명시하고있다. HL7 CDA에서주고받는메시지는크게트리거이벤트 (Trigger Event), 질의 (Query), 및확인응답 (Acknowledgement) 으로구성된다. 즉, 트리거이벤트로인한 ADT (Admission, Discharge and Transfer) 메시지가발생하면질의메시지와확인응답메지를의료시스템간에전송함으로써 HL7 CDA 메시지를전송하게된다. HL7 CDA은 Trigger Event를기본으로다수의세그먼트들로구성되며각세그먼트는다수의데이터필드로구성된다. 그리고각데이터필드는다수의컴포넌트들로이루어진다. 첫번째세그먼트는일반적으로메시지헤드 (MSH: Message Header) 세그먼트로, 이것이메시지를보내는시스템과받는시스템양쪽에메시지의종류가어떤것인지를알려준다. HL7 CDA의공통세그먼트는 MSH, EVN (Trigger Event), PID (Patient Identification), ORC (Common Order) 세그먼트등이있다. 하지만 HL7 표준은의료정보표준으로 ANSI (American National Standards Institute) 으로부터공식적인표준화기구로인정받고있다 [10]. 2.4 Continua Health Alliance Continua Health Alliance [11] 는체중계, 혈압계등을 PC나휴대단말로인터넷을연결하여건강관리를할수있도록하는목표를가지고있으며, IT 기술과건강관리기기의상호접속을가능하게하는표준규정의기술검토와설계가이드라인을제정하기위해 2006년도 6월에설립된단체이다 [13]. 이협회는현재 GE, 필립스, 인텔뿐만아니라모토로라, 소니등의 230여개이상의글로벌기업들이참여하고있다. 그림 3은 Continua Health Alliance 의 telehealth ecosystem을보여준다 [12]. Continua에서는장치간상호호환성을위해 278

논문 /M2M 을위한 U- 헬스케어응용서비스기반 IEEE 11073/HL7 변환게이트웨이설계및구현 시한다. Ⅲ. M2M 을위한 U- 헬스케어응용서비스구조 그림 3. Continua Health Alliance의 telehealth ecosystem PAN-IF, LAN-IF, WAN-IF, HRN-IF로크게 4가지로분류하고있다 [12],[13].

5 논문 /M2M 을위한 U- 헬스케어응용서비스기반 IEEE 11073/HL7 변환게이트웨이설계및구현 시한다. Ⅲ. M2M 을위한 U- 헬스케어응용서비스구조 그림 3. Continua Health Alliance의 telehealth ecosystem PAN-IF, LAN-IF, WAN-IF, HRN-IF로크게 4가지로분류하고있다 [12],[13]. PAN-IF (Peripheral Area Network Interface) 는 ISO 7계층에서 1-4 계층 ( 하위계층 ) 와 5-7 계층 ( 상위계층 ) 으로두계층으로분류하고있다. 하위계층은 ZigBee, Wireless USB, Bluetooth 등인터페이스들을포함하고있으며, 상위계층에서는 ISO/IEEE 표준 Family (IEEE IEEE xx) 을포함하고있다. 특히, IEEE 은의료디바이스와수집하는장치간통신을위한데이터와프로토콜을명시하고있다. IEEE xx는생체정보측정센서에대해명시하고있다. LAN-IF (Local Area Network Interface) 는건가정보수집단말이 LAN 장치에연결되는인터페이스를말한다. 하위계층에는 IP 통신기술 (WiFi 등 ) 로명시하고있으며, 상위계층은 ISO/IEEE 로명시하고있다. WAN (Wire Area Network Interface) 는건강정보수집단말이하나이상의 WAN 장치에연결하는인터페이스로정의하고있다. 일반적으로 WAN 장치는네트워크기반관리서비스를수행한다. 상위계층은 LAN-IF에상응하는인터페이스를사용하며, 하위계층은 IP 통신기술 (XDSL, PPP/POTS [Point-to-Point Protocol], GPRS, EDGE [Enhanced Data Rates for GSM Evoluation]) 을사용한다. HRN-IF (Electronic/Personal Health Records Network Interface) 는환자의장치가 WAN 장치와 Health-Record 장치간에데이터통신을위한인터페이스로정의한다. 상위계층에서는 HL7 CDA 등국제표준을사용한다. 본논문에서는앞서언급한국제표준기반의 M2M을위한 U-헬스케어응용서비스의구조를제 본논문에서제안하고있는계층적구조기반 ISO/IEEE 11073과 HL7 연동서비스의구성도는그림 4와같다. 생체정보가필요한의료기관이나피트니스센터에서는의료정보및생체정보전송을위한응용계층표준프로토콜인 HL7를이용하여생체정보를요청한다. 생체정보모니터링응용에서생성된 HL7 요청메시지는원격지 IEEE 11073/HL7 프로토콜변환게이트웨이로전송된다. 변환게이트웨이는생체정보모니터링응용에서사용되는국제표준 HL7 메시지와원격지사용자의생체정보수집을위해사용되는 IEEE 표준프로토콜간의데이터매핑및프로토콜변환을담당한다. 이를위해 IEEE 11073/HL7 프로토콜변환게이트웨이에는 HL7 변환기, IEEE 매니저, 그리고의료표준문서생성을위한 CDA 생성기가탑재된다. HL7 메시지를통해요청된생체정보수집을위해 IEEE 11073/HL7 프로토콜변환게이트웨이의 IEEE 매니저에서는 IEEE 기반의매니저와에이전트간표준프로토콜인 IEEE 기반으로원격지 IEEE 에이전트에생체정보를요청하게된다. 이때해당응용의생체정보요청종류에따라 GET, SET, ACTION, EVENT REPORT 등의메시지가사용할수있다. 요청을받은해당에이전트 (IEEE 에이전트가탑재된개인휴대단말 ) 는요청된생체정보를수집하여인터넷을통해 IEEE 11073/HL7 프로토콜변환게이트웨이의 IEEE 매니저모듈로전송된다. 이때 IEEE 에이전트는 IEEE 그림 4. 계층적구조기반 ISO/IEEE 과 HL7 의연동서비스구성도 279

한국통신학회논문지 '11-03 Vol. 36 No. 3 11073 매니저를통해수집된생체정보는 HL7 변환모듈에서해당생체정보가포함된표준 HL7 메시지형식으로변환되어원격지의료진이나기타기관으로전송된다. 3.1 IEEE 11073 HL7 변환게이트웨이구조그림 5은 IEEE 11073/HL7 변환게이트웨이구조이다.

6 한국통신학회논문지 '11-03 Vol. 36 No 매니저를통해수집된생체정보는 HL7 변환모듈에서해당생체정보가포함된표준 HL7 메시지형식으로변환되어원격지의료진이나기타기관으로전송된다. 3.1 IEEE HL7 변환게이트웨이구조그림 5은 IEEE 11073/HL7 변환게이트웨이구조이다. 변환게이트웨이는크게 IEEE Manager, CDA Factory, HL7 v2.x Converter, 등의세부분으로구성된다. IEEE Manager는 IEEE 에이전트에 GET, SET, ACTION, EVENT REPORT 등의메시지를통해필요한생체정보를수집한다. IEEE Manager는 DIM Analyzer, Service Msg. Composer, Transport Manager로구성된다. DIM Analyzer는 매니저와에이전트간생체정보교환을위한데이터모델을분석하여요청된생체정보를추출하거나요청할생체정보에대한데이터모델을구성하는역할을하게된다 매니저와에이전트간사용하는 DIM 은 IEEE 에이전트를객체의집합으로구성한계층적모델이다. 즉, 에이전트객체가최상위객체가되고다양한데이터모델들이하위에위치하며데이터모델간에도부모레벨과자식레벨로계층화될수있다. 상세히살펴보면, DIM에서정의하고있는객체는 MDS (Medical Device System), 그림 5. IEEE11073/HL7 변환게이트웨이구조 Metric, Numeric, RT-SA (Real-Time Sample Array), Enumeration, PM-Store (Persistent Metric Store), PM-Segment (Persistent Metric Segment), Scanner 등이다. 각객체에대한상세한내용은표 1에서설명하고있다. DIM으로정의된데이터는 ASN.1을기반으로컴파일되고 IEEE 표준에서제시하고있는 BER (Basic Encoding Rule), DER (Distinguished Encoding Rule), MDER (Medical Device Encoding Rule) 등을이용하여바이너리코드로인코딩 / 디코딩하게된다. Sevice Msg. Composer는 IEEE 매니저와에이전트사이의데이터교환에필요한메시지를구성하거나수신된메시지를파싱하는기능을수행하며 IEEE 11073에서정의하고있는서비스모델에해당한다. 데이터교환을위한메시지는 GET, SET, ACTION, 표 1. DIM 을구성하고있는객체의속성 class MDS Metric Numeric RT-SA Enumeration PM-Store PM-Segment Scanner CfgScanner EpiCfgScanner PeriCfgScanner Description 각에이전트의최상위레벨객체, 각에이전트는하나의 MDS 인스턴스를가짐 MDS 는자신의속성 (attribute) 를통해에이전트의식별정보및상태정보를가짐 스스로인스턴스화할수없으나 Numeric, RT-SA, Enumeration class 의 base class 하나의수치측정치를표현할때사용, 32bit/16bit floating point data continuous sample 이나 wave form 을표현 샘플간간격 (period), 개수, 각샘플의 resolution, scale, offset 정보를포함 status information (code) 이나 annotation (text) 에이전트에요청되어진대량데이터를계층적방법으로표현 즉시적데이터전송이아닌추후일괄전송을위한데이터저장을위해사용 단발적데이터나연속적 (streaming) case들에사용가능 PM-Store 내의측정데이터를표현하기위해사용됨 각각의 PM-Segment 객체는 metadata (data about the data) 와 0개이거나혹은그이상의 entry를가지 며, 각각의 entry는측정치들을담고있는하나이상의 element를가짐 에이전트에서생성되는측정치를 scan 하고 manager에알리기위해 "events" 를생성 Metric 클래스처럼계층적인클래스들의집합으로표현 EpiCfgScanner 와 PeriCfgScanner 의 base class 고정된시간간격으로분리되지않는데이터의리포트나이벤트를전송할때사용 고정된시간간격으로분리되는데이터의리포트나이벤트를전송할때사용 280

7 논문 /M2M 을위한 U- 헬스케어응용서비스기반 IEEE 11073/HL7 변환게이트웨이설계및구현 EVENT REPORT 등으로구성되는데 GET은매니저가에이전트에게객체속성값을요구할때사용된다. SET은매니저가에이전트에게객체속성값을설정할때사용되는데주로 Scanner 객체에대한작동상태를설정할때사용한다. ACTION은매니저가에이전트에게액션을호출할때사용한다. ACTION의경우생체정보측정장치의유형에따라지원하는액션이다를수있는데예를들어매니저에서에이전트의측정데이터전송을활성화하거나비활성화할경우, 객체내저장된모든데이터항목을삭제요청등을할때사용될수있다. EVENT REPORT는에이전트의구성정보와측정데이터를매니저에게전송할때사용하는데다른메시지와달리매니저의요청없이에이전트에서매니저에게독립적으로데이터를전송한다. IEEE Transport Manager는 IEEE 매니저와에이전트간네트워크접속을지원하는데하나의 IEEE 매니저에다수의 IEEE 에이전트가접속할수있으며이경우매니저는각각의에이전트와다중접속을지원한다. 그림 6은 IEEE 매니저와에이전트간최초접속절차및데이터전송절차를나타낸것이다. IEEE 매니저에에이전트가이미등록이되어있는지혹은최초접속인지에따라접속절차가달라진다. 에이전트가매니저에연결요청을하였을경우매니저는연결요청을한에이전트시스템정보및환경구성정보가있는지검색을하게된다. 연결요청에이전트의해당정보가검색이되면연결수락후데이터전송모드를통해데이터를송수신하게되는데이때 GET, SET, ACTION, EVENT REPORT 등을이용하게된다. 하지만연결요청에이전의해당정보가존재하지않을경우그림 6과같이매니저는에이전트에게연결수락메시지를전송하지만해당에이전트의정보가없음을명시한다. 에이전트정보가없음이명시된연결수락메시지를수신한에이전트는환경설정정보를매니저에게전송하게되고이후매니저로의료장비객체를전송하여매니저와에이전트간최초접속절차를완료하게된다. 이후생체정보에대한송수신이수행되고연결해지를하게된다. HL7 v2.x Converter는원격지생체정보모니터링응용에서수신된 HL7 메시지를분석하거나 IEEE 매니저를통해수신된생체정보를 HL7 메시지로변환하는기능을수행한다. HL7은다양한보건의료정보시스템간의데이터교환을 그림 6. IEEE 매니저와에이전트간최초접속및데이터전송절차 위해 ANSI에서인증한표준으로응용계층프로토콜이다. HL7은 MSH (Message Header Segment), EVN (Trigger Event), PID (Patient Identification Segment), OBR (Observation Request Segment) or OBX (Observation Result Segment) 의필수 Segment로구성되며 EVN을제외한각 Segment는꼭포함하여야하는필수필드를포함하고있다. 생체정보의요청은 OBR 필드에명시되며 IEEE 에이전트로부터수신된생체정보는 OBX 필드를구성하여전송하면된다. 표 2는 Segment에대한설명을나타낸다. HL7 v2.x Converter는 Metafile Handler와 HL7 Msg. Converter로구성된다. Metafile Handler는 HL7 v2.x 메시지를구성하는메타데이터의분석및구성을수행하며 Metafile Validator 모듈에서구성되거나파싱된메타정보에대한검증이수행된다. HL7 Msg. Converter는원격지생체정보모니터링응용에서수신된 HL7 메시지를파싱하여 IEEE Manager에생체정보요청및기타정보를요청하거나 IEEE Manager로부터전달받은생체정보및기타정보를 HL7 메시지로변환하는기능을수행한다. 이때 HL7 메시지에포함되는메타정보는 Metafile Handler 로부터획득하게된다. 281

한국통신학회논문지 '11-03 Vol. 36 No. 3 IEEE 11073 Manager와 HL7 v2.x Converter간데이터매핑은 IEEE 11073 / HL7 CDA Interface 를통해수행된다. IEEE 11073/HL7 프로토콜변환게이트웨이의 CDA Factory는 IEEE 11073에서수집된생체정보를포함하는 HL7 CDA 문서를생성한다.

8 한국통신학회논문지 '11-03 Vol. 36 No. 3 IEEE Manager와 HL7 v2.x Converter간데이터매핑은 IEEE / HL7 CDA Interface 를통해수행된다. IEEE 11073/HL7 프로토콜변환게이트웨이의 CDA Factory는 IEEE 11073에서수집된생체정보를포함하는 HL7 CDA 문서를생성한다. CDA는생체정보나환자의진료와관련된모든정보를전자문서화할수있도록지원하는데 HL7의 RIM (Reference Information Model) 과 HDF (HL7 Development Framework) 기반으로생성되는 XML 형식의구조적문서이다 [16]. CDA를구성하기위한객체정보는 RIM의 6개기본클래스인 Act, Participation, Entity, Role, ActRelationship, RoleLink 와이를상속받은자식클래스들로구성할수있다. CDA Factory는 CDA Profiler, Medical Information Mapper, CDA Creator로구성된다. CDA Profiler는 CDA Schema 저장소로부터 CDA 버전별문서구조에대한정보를획득하여 CDA 템플릿을구성하고입력된 CDA 문서나출력될 CDA 문서에대한규격검증을수행하게된다. Medical Information Mapper는 HL7 v2.x Converter나 IEEE Manager에서전달받은메타정보및생체정보를 CDA 문서구조내 RIM 기반클래스에매핑을하게되며 CDA Creator에서는 CDA Profiler 에서작성된 CDA 템플릿을기반으로 CDA 문서를생성한다. CDA 템플릿은 IEEE 에이전트에따라여러개가생성될수있으며각각의 IEEE 에이전트에서 IEEE Manager로수집된상이한생체정보들을취합하여하나의복합 CDA 문서도생성할수있다. 생성된 CDA 문서는다시 CDA Profiler에서검증하게된다. Ⅳ. 구현및결과 4.1 구현환경본논문에서설계한 M2M 기반 U-헬스케어모니터링시스템을구현하기위하여그림 7과같이구성하였으며구성및구현환경은다음과같다. 서버 : IBM Server 단말기 : 안드로이드기반 Smartphone 생체정보수집센서장치 : Bluetooth 기반 SpO2, ECG 센서모듈 개발언어 : Visual C, MFC, Java 그림 7. U- 헬스케어시스템를위한 ISO/IEEE HL7 CDA 변환게이트웨이시스템구현환경 SpO2, ECG 센서로부터측정된데이터는 IEEE [14] 와 [15] 표준에따라메시지를생성및전송한다. 그리고실제 U-헬스케어서비스에서노트북은사용자의이동단말에해당하며, HL7 어플리케이션은의료진의어플리케이션에해당한다. 4.2 M2M 기반 U-헬스케어모니터링시스템시나리오 HL7 어플리케이션에서에이전트장치의접속상태를확인한후, 환자의생체정보를확인하기위해 HL7 표준기반메시지를 IEEE 11073/HL7 프로토콜변환게이트웨이로요청하게된다. ISO/ IEEE11073 프로토콜변환게이트웨이는전송받은메시지가해당에이전트를 SET 기능의요청인지, GET 기능의요청인지를분석하여 ISO/IEEE11073 메시지를생성한다. 생성된메시지는해당에이전트로전송되고, 전송받은에이전트는요청메시지에대한응답메시지를생성하여 IEEE 11073/HL7 프로토콜변환게이트웨이로전송하게된다. 프로토콜변환게이트웨이는 ISO/IEEE 표준에의거한메시지를분석하여 HL7 어플리케이션으로부터요청받은메시지에대한응답메시지를생성하여 HL7 어플리케이션으로전송된다. 4.3 구현결과본절에서는 ISO/IEEE HL7 변환게이트웨이시스템을구현하여그결과를보여준다. HL7 어플리케이션은그림 8에보이는것과같이의료진의개인정보, 요청명령을위한에이전트상태를설정하기위한 ECG설정, SpO2 설정 (Set) 으로구성된다. 그림상단위측에는해당에이전트로부터측정받은메시지를나타낸다. 282

논문 /M2M 을위한 U- 헬스케어응용서비스기반 IEEE 11073/HL7 변환게이트웨이설계및구현 그림 10. IEEE 11073/HL7 프로토콜변환게이트웨이에서 HL7 Application 으로부터건강관리서버를통해전송받은요청메시지 그림 11.

그림 10, 그림 11는에이전트의 SpO2를측정하기위한 HL7 표준기반의요청 / 응답메시지형태를나타낸다. 본시스템에서 HL7 표준에준한메시지교환시 IHE PCD-01 Transaction에따른다. 이는 HL7 version 2.

그림 10의메시지에서보이는것과같이 MSH element는송신응용, 송신기관, 수신기관, 메시지송신시간, 메시지형태등을나타내고, PID element는환자의 ID, 기관, 환자의이름등의정보그림 9.

IEEE 11073/HL7 프로토콜변환게이트웨이는 HL7 표준요청메시지의 element의정보를분석하고 ISO/IEEE 11073-20601 표준에의거한 SET, GET 메시지를생성하게된다. 그림 11에서보이는것과같이 HL7 표준기반메시지의 OBX element (OBR-6) 에 20101019152538 20101019154638 가지정되어있다.

9 논문 /M2M 을위한 U- 헬스케어응용서비스기반 IEEE 11073/HL7 변환게이트웨이설계및구현 그림 10. IEEE 11073/HL7 프로토콜변환게이트웨이에서 HL7 Application 으로부터건강관리서버를통해전송받은요청메시지 그림 11. IEEE 11073/HL7 프로토콜변환게이트웨이에서건강관리서버를통해 HL7 Application 로전송된응답메시지 그림 8. HL7 어플리케이션의 View HL7 어플리케이션에서해당에이전트를확인하고요청메시지를보낸후그에대한결과를그림 9에서보여주고있다. 그림 9는생체정보측정하는에이전트에서 ECG, SpO2 측정화면을보여준다. 그림 10, 그림 11는에이전트의 SpO2를측정하기위한 HL7 표준기반의요청 / 응답메시지형태를나타낸다. 본시스템에서 HL7 표준에준한메시지교환시 IHE PCD-01 Transaction에따른다. 이는 HL7 version 2.6에서정의하고있으며, 데이터교환시 Unsolicited Observation Result Message (ORU^R01^ORU_R01) 의메시지를사용한다. HL7 표준요청메시지는 MSH, PID, OBR element들로구성되며, 응답메시지는 MSH, PID, OBR, OBX element들로구성된다. 그림 10의메시지에서보이는것과같이 MSH element는송신응용, 송신기관, 수신기관, 메시지송신시간, 메시지형태등을나타내고, PID element는환자의 ID, 기관, 환자의이름등의정보그림 9. 에이전트의 View 가포함되며, OBR element는생체데이터요청을위한요청시간, sequence 번호, 관찰시간, 요청시간, Universal service identifier를등을포함한다. HL7 표준요청메시지는 HL7 Application에서생성되어건강및생체정보관리서버를통해 IEEE 11073/HL7 프로토콜변환게이트웨이로전송된다. IEEE 11073/HL7 프로토콜변환게이트웨이는 HL7 표준요청메시지의 element의정보를분석하고 ISO/IEEE 표준에의거한 SET, GET 메시지를생성하게된다. 그림 11에서보이는것과같이 HL7 표준기반메시지의 OBX element (OBR-6) 에 가지정되어있다. 이것은요청된생체신호전송날짜와시간을나타낸다. 이메시지는 특정날짜및시간이되면생체신호를전송요청 의미를가진다. 이와같은 HL7 메시지를 IEEE 11073/HL7 변환프로토콜게이트웨이는분석기능을수행함으로써자동적으로 IEEE 의 SET Command를위한 IEEE 기반메시지를생성하고이를해당에이전트로전송하게된다. 에이전트는 SET Command 메시지를수신하고이에대한 SET Response 메시지를생성하여매니저로전송하게된다. 이후에이전트는특정시간이되면센싱된생체데이터를 Event Report Message의 Simple-Nu-Observed-Value 필드에넣어매니저로전송하게된다. Event Report Message는표 2에나타내었다. Event Report Message에서 IEEE 에정의되어있는 Scanner 기능을이용하여데이터를전송하게된다. Event Report Message를수신한 IEEE 11073/ HL7 프로토콜변환게이트웨이는 Event Report Message의 Simple-Nu-Object Value의값을 HL7 283

10 한국통신학회논문지 '11-03 Vol. 36 No. 3 표 2. IEEE 기반 Event Report Message 형태 0xE7 0x00 APDU CHOICE Type (DataApdu) 0x00 0x2A CHOICE.length = 42 0x00 0x28 OCTET STRING.length = 40 0x43 0x2A invoke-id = 0x432A (start of DataApdu. MDER encoded.) 0x01 0x00 CHOICE (Remote Operation Invoke Event Report) 0x00 0x22 CHOICE.length = 34 0x00 0x00 obj-handle = 0 (MDS object) 0x00 0x00 0x00 0x00 event-time = 0 0x0D 0x1D event-type = MDC_NOTI_SCAN_REPORT_FIXED 0x00 0x18 event-info.length = 32 0x00 0x01 ScanReportInfoFixed.data-req-id = 1 0x00 0x00 ScanReportInfoFixed.scan-report-no = 9 0x00 0x01 ScanReportInfoFixed.obs-scan-fixed.count = 2 0x00 0x0E ScanReportInfoFixed.obs-scan-fixed.length = 22 0x00 0x01 ScanReportInfoFixed.obs-scan-fixed.value[0].obj-handle = 1 Pleth Wave 0x00 0x0C ScanReportInfoFixed.obs-scan-fixed.value[0].obs-val-data.length = 12 0x00 0x0A Simple-Sa-Observed-Value OCTET STRING length = 10 0xSS 0xSS 0xSS 0xSS Samples 0xSS 0xSS 0xSS 0xSS Samples 0xSS 0xSS Samples 0x00 0x02 ScanReportInfoFixed.obs-scan-fixed.value[1].obj-handle = 2 SpO2 0x00 0x04 ScanReportInfoFixed.obs-scan-fixed.value[1].obs-val-data.length = 4 0xFF 0x00 0x03 0xDF Simple-Nu-Observed-Value = 89.6 CDA 메시지의 OBX element를생성하여 HL7 CDA 요청메시지 ( 그림 10) 에대한응답메시지 ( 그림 11) 를생성하여 HL7 Application으로전송하게된다. 위에서보인바와같이해당에이전트와 HL7 어플리케이션간 IEEE 11073/HL7 프로토콜변환게이트웨이에서 IEEE 표준메시지포맷에서 HL7 CDA 표준메시지포맷으로변환해줌으로써 HL7 어플리케이션에서직접적으로에이전트를관리및감독할수있게된다. 이는 M2M 기반 U-헬스케어서비스에적용되어언제어디서나의료진의진료가가능하게한다. Ⅴ. 결론본논문에서는 M2M 기반의 U-헬스케어응용서비스를위해국제표준기반의 U-헬스케어응용서비스구조를설계및구현하였다. 구체적으로, ISO/IEEE 표준과 HL7 표준간상호호환성을위한 ISO/IEEE 11073ㆍHL7 프로토콜변환게이트웨이를설계및구현하였다. 제안된구조에서 ISO/IEEE 11073ㆍHL7 프로토콜변환게이트웨이를원격지에위치시킴으로써, 서비스를사용하는사용자는 ISO/IEEE 프로토콜이탑재된휴대단말과생체정보측정장치만을이용하여어디서든 U-헬스케어서비스를받을수있게한다. 참고문헌 [1] H. Mitsui, H. Kambe, and H. Koizumi, Student Experiments for Learning Basic M2M Technologies by Implementing Sensor Networks System, in proc., ITHET 2010, Apr. 29-May [2] A. Lymperis and A. Dittmar, Advanced Wearable Health Systems and Applications, Research and Development Efforts in the European Union, IEEE Eng. Med. Biol. Mag., Vol.26, No.3, pp.29-33, May/Jun., [3] Y. Hao and R. Foster, Wireless Body Sensor Networks for Health Monitoring Applications, Phys. Meas., Vol.29, pp.r27 R56, Nov.,

논문 /M2M 을위한 U- 헬스케어응용서비스기반 IEEE 11073/HL7 변환게이트웨이설계및구현 [4] V. Shnauder et al., Sensor Networks for Medical Care, Harvard Univ. tech. rep. TR-08-05, Apr., 2005. [5] T.

11 논문 /M2M 을위한 U- 헬스케어응용서비스기반 IEEE 11073/HL7 변환게이트웨이설계및구현 [4] V. Shnauder et al., Sensor Networks for Medical Care, Harvard Univ. tech. rep. TR-08-05, Apr., [5] T. Mon, HL7 PHR System Funcational Model and Standard, HIMSS Annual Conference, April, [6] The Institute of Electrical and Electronics Engineers, ISO/IEEE Standard for Health Informatics - Personal health device communication - Application profile - Optimized exchange protocol. ISO/IEEE [7] Health Level 7 Inc., HL7 Resource Library, 2005, [8] H. Cao, V. Leung, C. Chow, and H. Chan, Enabling Technologies for Wireless Body Area Network: A Survey and Outlook, IEEE Comm. Magazine, vol. 47, iss. 12, pp , Dec [9] M. Joo, S. Cho, Y. Lee, Trends in Standards on Medical Information, J.kor. Ins. Inf. Sci. and Eng., vol. 26, no. 6, pp , [10] M. Li and K. Ren, Data Security and Privacy in Wireless Body Area Networks, IEEE Wireless Comm., vol. 17, no. 1, pp , Feb [11] The Continua Health Alliance at continuaalliance.org [12] B. Piniewski, J. Muskens, et al., Empowering Healthcare Patients with Smart Technology, IEEE Computer Society, Vol.43, iss.7, pp.27-34, July, [13] R. Carroll, R. Cnossen, M. Schnell, and D. Simons, Continua: An Interoperable Personal Healthcare Ecosystem, IEEE Pervasive Computing, Vol.6, No.4, pp.90-94, Oct.-Dec., [14] The Institute of Electrical and Electronics Engineers, ISO/IEEE Standard for Health Informatics - Personal health device communication - Device Specialization - Pulse Oximeter. ISO/IEEE [15] The Institute of Electrical and Electronics Engineers, ISO/IEEE Standard for Health Informatics - Personal health device communication - Device Specialization - Heart Rate Monitor. ISO/IEEE [16] R. H. Dolin, L. Alschuler, S. Boyer, C. Beebe, F. M. Behlen, et al., HL7 Clinical Document Architecture, release 2, J. Am. Med. Inform. Assoc., 13(1), pp.30-39, 천승만 (Seung-Man Chun) 정회원 2008년 2월동양대학교전자공학과 ( 공학사 ) 2010년 2월경북대학교정보통신학과 ( 공학석사 ) 2010년 3월~현재경북대학교정보통신학과 ( 박사과정 ) < 관심분야 > Control and Management of next generation wireless and wired convergence network, Mobility management, U-healthcare network 나재욱 (Jae-Wook Nah) 정회원 2001년 2월경북대학교전자공학과 ( 공학사 ) 2003년 2월경북대학교정보통신학과 ( 공학석사 ) 2009년 2월경북대학교정보통신학과 ( 공학박사 ) 2009년~현재경북대학교 U- 헬스케어융합네트워크연구센터 Post-Doc. 과정 < 관심분야 > U-healthcare network, Wireless body area network, HL7, IEEE 11073, Network management, Wireless communication 285

12 한국통신학회논문지 '11-03 Vol. 36 No. 3 박종태 (Jong-Tae Park) 종신회원 1978년 2월경북대학교전자공학과 ( 공학사 ) 1981년 2월서울대학교전자공학과 ( 공학석사 ) 1987년 8월 Univ. of Michigan EECS ( 공학박사 ) 1989년 ~ 현재경북대학교전자공학과교수 2000년~2003년 IEEE Technical Committee on Information Infrastructure(TCII) 의장 1988년~1989년삼성전자컴퓨터시스템사업부수석연구원 1987년~1988년미국 AT&T Bell 연구소연구위원 1984년~1987년미국 CITI 연구원 < 관심분야 > 이동통신, 모바일, 차세대통신망운용, 네트워크보안, 헬스케어서비스 286

이도경, 최덕재 Dokyeong Lee, Deokjai Choi 1. 서론

이도경, 최덕재 Dokyeong Lee, Deokjai Choi 1. 서론 2. 관련연구 2.1 MQTT 프로토콜 Fig. 1. Topic-based Publish/Subscribe Communication Model. Table 1. Delivery and Guarantee by MQTT QoS Level 2.1 MQTT-SN 프로토콜 Fig. 2. MQTT-SN