Development of Open H/W-Based IEEE 11073 Agent and Manager for Non-Standard Health Devices

비표준 건강 기기를 위한 오픈 H/W 기반의 IEEE 11073 에이전트 및 매니저 개발

Abstract

With the evolution and development of many kinds of healthcare devices and techniques, u-health standards have emerged as a major issue. Yet, most legacy medical devices and systems are still being used without deployment of the standards. Therefore, it is required to support backward compatibility for u-health standard-compliant systems to communicate with legacy non-standard medical and healthcare devices. This paper proposes a new scheme to support backward compatibility of IEEE 11073 system by adding a codec module to IEEE 11073 agent. The codec converts data sent by non-standard health devices to IEEE 11073 MDER data. Plus, we implemented the proposed IEEE 11073 agent with an Intel Edison board which is one of popular open source H/W platforms. The IEEE 11073 manager of the proposed system can monitor and control legacy non-standard devices through the proposed agent system. In our experimental results, we examined the proposed system can support interoperability between u-health standard and non-standard devices and contribute to the growth and expansion of u-health services.

1. 서 론

최근 급속한 고령화 사회로의 변화로 인하여 의료비가 급증하고 있다. 또한 삶의 질 향상에 대한 기대가 높아지면서 의료 서비스가 치료 중심의 공급자 서비스에서 예방 및 관리 중심의 수요자 서비스로 변화하고 있다. 또한 병원 방문이 어려운 장애인, 노인뿐만 아니라 타 지역 의료 기관의 진료가 필요한 환자를 위한 원격 진료 서비스에 대한 관심과 요구가 증가하고 있다. 이러한 의료 환경의 변화에 따라 스마트 기기 및 ICT 융합을 통해 언제, 어디서나 필요한 의료 서비스를 제공할 수 있는 유헬스 기술 연구 및 관련 제품의 개발이 활발히 진행되고 있으며[1], IEEE 11073 PHD (Personal Health Device), HL7(Health Level 7), DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine) 등의 여러 의료 표준 기술들이 제정되고 있다[2-4]. 그러나 개인 건강 기기뿐만 아니라 의료 기관에서 운용되고 있는 대다수의 의료 기기 및 시스템들은 아직까지 유헬스 표준을 지원하지 않는 경우가 많아 의료 기관 간의 데이터 호환성 및 시스템 상호 운용성을 보장 받지 못하는 경우가 많다.

본 논문에서는 유헬스 표준 기반의 기기뿐만 아니라 기존의 비표준으로 동작하는 다양한 의료 기기들 역시 유헬스 표준(IEEE 11073-20601) 서비스에 활용할 수 있도록 역방향 호환성을 지원하는 유헬스 시스템 및 동작 알고리즘을 제안하였다. 제안 방안은 기존의 IEEE 11073 에이전트 시스템에 비표준 생체 데이터를 ISO/IEEE 11073 표준 데이터 형태로 변환시키는 코덱 모듈을 추가함으로써 유헬스 표준 시스템과 비표준 시스템 간의 데이터 호환성 및 상호 운용성을 지원한다. 제안 방안에서 IEEE 11073 매니저 시스템은 에이전트 시스템을 통하여 비표준 기기와 표준 데이터를 송수신할 수 있다. 본 논문에서 제안된 IEEE 에이전트 및 매니저 시스템은 각각 오픈 하드웨어인 Intel Edison 보드 및 안드로이드 OS 기반의 스마트폰을 활용하여 구현하였다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서 ISO/IEEE 11073 PHD 표준에 대해 살펴 본 다음, 3장에서 제안 시스템의 동작 알고리즘 및 기능에 대해 설명한다. 그리고 4장에서 제안 시스템의 구현 결과를 살펴 본 후, 5장에서 결론을 맺는다.

 

2. ISO/IEEE 11073 PHD 표준

유헬스 국제 표준인 ISO/IEEE 11073 PHD는, Fig. 1에서 보이는 바와 같이, 생체 데이터를 수집하는 에이전트 디바이스와 에이전트 디바이스 및 센싱 데이터의 관리 및 모니터링을 담당하는 매니저 디바이스 간의 건강 정보 교환을 위한 표준 프로토콜로서, OSI 7계층의 5-7계층의 프로토콜을 정의하고 있으며 1-4계층의 인터페이스는 블루투스 (Bluetooth), 지그비 (Zigbee) 등의 전송 기술들이 사용될 수 있다[5,6].

Fig. 1.Personal Health Device conceptual structure.

특히 ISO/IEEE 11073에서는 ISO/IEEE 11073-20601을 정의하고 있는데, 이는 에이전트 디바이스와 매니저 디바이스 간의 데이터 교환을 위한 프로토콜이다. ISO/IEEE 11073-20601 모델링 구조는 Fig. 2에서와 같이 DIM(Domain Information Model), 서비스 모델 (Service Model), 및 통신 모델 (Communication Model)로 구성된다[7,8]. DIM은 장치 및 생체 데이터를 설명하는 객체 지향 모델로서, 에이전트의 클래스를 정의한다. 클래스 속성은 ASN.1에 정의 된 유형의 속성으로 정의하고, 객체는 사용하는 속성에 맞게 조정된다. 장치와 데이터의 상호 작용을 정의하는 서비스 모델은 ASN.1에 기술된 메시지 포맷을 사용한다[9,10]. 사용 가능한 서비스로는 Event Reporting 서비스, Object Access 서비스, Association 서비스, 및 Conversion 서비스가 있다. 통신 모델은 매니저와 에이전트 디바이스 간의 통신 특성과 연결 상태를 관리하는데, 두 디바이스 간 유한 상태 장치 (Finite State Machine)의 연결 상태를 Connection, Association, Operation 등으로 구분하여 동작한다.

Fig. 2.ISO/IEEE 11073-20601 Modeling.

 

3. 비표준 건강 기기를 위한 IEEE 11073 유헬스 시스템

3.1 유헬스 에이전트 시스템

본 논문에서 제안한 유헬스 에이전트 시스템은 일반적인 IEEE 11073 PHD 에이전트 장치에 코덱 모듈을 추가하여 비표준 건강기기로부터 수신한 데이터를 IEEE 11073 표준 데이터로 변환하는 기능을 가지고 있다.

Fig. 3은 제안된 에이전트 시스템이 클라이언트 모드 및 서버 모드로 동작할 때의 메시지 다이어그램을 각각 나타내고 있다. 클라이언트 모드는 매니저의 요청 없이 에이전트가 매니저에게 센싱 데이터를 보고하는 경우로서, 에이전트 시스템이 먼저 매니저 시스템에게 블루투스 연결을 요청한다. 블루투스 연결이 완료되면 에이전트 시스템은 IEEE 11073 MDER 표준[11]으로 변환된 Association Request 메시지를 매니저 시스템으로 전송해 자신의 정보를 알린다. 이후 오픈 하드웨어 플랫폼인 Intel Edison 보드를 사용하여 개발된 에이전트 시스템은 연결된 센서로부터 주기적으로 수집한 생체 데이터를 IEEE 11073 MDER 표준으로 인코딩 과정을 거쳐 Datareport 메시지를 통해 매니저 시스템으로 전송한다. 이후 매니저 시스템으로부터 Datareport Response 메시지를 수신한다. 에이전트 시스템과 매니저 시스템의 연결이 종료되기 전까지 데이터 측정 및 IEEE 11073 MDER 표준 변환, 데이터 전송 과정이 반복된다. 두 시스템의 연결 종료 단계는 에이전트 시스템에서 매니저 시스템으로 Association Release Request 메시지를 전송하고 매니저 시스템으로부터 Association Release Response 메시지를 수신 후 블루투스 연결을 해제하여 두 System의 연결을 완전히 종료한다.

Fig. 3.Message diagram of u-health agent system. (a) Client mode and (b) server mode.

에이전트가 서버 모드로 동작할 경우는 매니저 시스템이 에이전트 시스템에 데이터 보고 요청 등의 제어 명령을 전송하고자 할 경우이다. 이때 에이전트는 매니저로부터 블루투스 연결을 요청받게 되며, Association이 확립된 이후 매니저가 전송한 Datareport Request 메시지를 수신하게 되면 생체 데이터를 측정하여 IEEE 11073 MDER 표준으로 변환한 후 Datareport 메시지를 통하여 매니저에게 보고한다. 에이전트 시스템은 클라이언트 모드 및 서버 모드가 동시에 동작하여 매니저에게 먼저 연결을 요청하거나 매니저로부터의 연결 요청을 수락하게 된다.

3.2 유헬스 매니저 시스템

제안된 유헬스 시스템에서 매니저는 에이전트를 통하여 건강 기기에게 제어 명령을 전달하거나 건강기기가 측정한 생체 데이터를 전송받게 된다. 매니저 역시 에이전트와 마찬가지로 클라이언트 및 서버 모드로 동작하는데, 각각의 메시지 전달 과정 및 동작 알고리즘을 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4.Message diagram of u-health manager system. (a) Server mode and (b) client mode.

매니저 시스템이 서버 모드로 동작할 경우는 클라이언트 모드로 동작하는 에이전트로부터 블루투스 연결 요청 및 주기적으로 데이터 보고를 받을 때이다. 블루투스 연결 후 에이전트로부터 Association Request 메시지를 받은 매니저는 임시파일에 메시지를 저장하고, 이 파일을 이용하여 Association 디코딩 과정을 거쳐 에이전트에게 Association Response 메시지를 보내게 된다. 이후 매니저는 에이전트로부터 IEEE 11073 MDER 표준으로 인코딩된 생체 데이터가 포함된 Datareport 메시지를 수신하게 되면 이를 다시 한 번 임시 파일로 저장한 이후 디코딩 과정을 거쳐 필요한 생체 데이터만 추출하여 자신의 데이터베이스에 저장하고, 에이전트 시스템에게 Datareport Response 메시지를 전송한다. 이후 매니저와 클라이언트 간 데이터 송수신은 Datareport 메시지 및 Datareport Response 메시지 교환을 통하여 반복적으로 수행된다. 만약 에이전트로부터 블루투스 연결 종료를 위한 Association Release 메시지를 수신할 경우에는 그에 대한 응답으로 Association Release Response 메시지를 에이전트에게 전송하여 두 시스템 간의 연결을 완전히 종료한다.

매니저 시스템이 클라이언트 모드로 동작할 경우는 서버 모드일 때와 반대로 에이전트에게 먼저 연결 요청을 시도하고 데이터 전송을 요청할 때이다. 클라이언트 모드에서는 매니저가 에이전트에게 Datareport Request 메시지를 전송하여 에이전트의 Datareport 메시지를 요청한다. 그 이후 과정은 클라이언트 모드에서와 동일하다.

유헬스 서비스 사용자는 매니저의 동작 모드와 상관없이 언제든지 매니저 데이터베이스에 저장된 생체 데이터를 불러내어 어플리케이션 상에서 건강 기기의 측정값을 확인할 수 있다.

 

4. 구현 결과 및 고찰

4.1 유헬스 센서단 구성

본 논문에서는 제안된 유헬스 에이전트에 비표준 생체 데이터를 전송할 건강 기기로 Fig. 5(a)의 Grove 심박 측정 센서를 사용하였다. 심박 측정 센서는 Fig. 5(b)의 HIGH 입력신호에서 인터럽트가 발생할 경우 심박 수 1회가 측정 된다. 심박 센서는 Fig. 5(c)에서와 같이 1분간 인터럽트 발생 횟수를 통해 최종 심박 측정값을 수집하여, 분당 1회씩 해당 측정값을 유헬스 에이전트에 전송한다.

Fig. 5.Sensor data measurement. (a) Grove-Ear-clip heart rate sensor, (b) interrupt location of the sensor signal, and (c) heart rate sensor signal status change.

4.2 유헬스 에이전트 시스템

본 논문에서는 오픈 하드웨어 플랫폼인 Intel Edison 보드를 사용하여 IEEE 11073 에이전트 시스템을 구현하였다. 또한 ASN1C를 사용하여 IEEE 11073 PHD 표준을 구현했으며, 기존의 IEEE 11073 에이전트에 코덱을 추가하여 비표준 생체 데이터를 유헬스 표준 데이터로 변환할 수 있는 기능을 구현하였다. 즉 비표준 건강 기기에 의해 측정된 생체 데이터는 제안된 유헬스 에이전트 시스템의 코덱을 통하여 ISO/IEEE 11073 표준에서 정의한 ASN.1(Abstract Syntax Notation One) 부호화 규칙인 MDER 표준으로 변환된다.

Fig. 6(a)는 Intel Edison 보드에 구현된 에이전트 시스템에서 IEEE 11073 MDER 표준으로 변환된 Association Request 메시지를 보여 주고 있다. 에이전트 시스템은 블루투스 연결 후 먼저 Association Request 메시지를 전송하게 되고 이후 심박 센서에서 1분마다 1회의 측정값이 발생할 때마다 새로이 추가된 코덱 모율을 통하여 해당 측정값을 IEEE 11073 MDER 표준으로 변환한 후 매니저 시스템으로 전송한다. Fig. 6(b)는 심박 측정값을 IEEE 11073 MDER 표준으로 변환한 결과를 보여주고 있다.

Fig. 6.IEEE 11073 messages at u-Health agent. (a) Encoded Association Request message and (b) encoded Datareport message.

4.3 유헬스 매니저 시스템

본 논문에서 구현된 유헬스 매니저 시스템 역시 에이전트 시스템과 마찬가지로 ASN1C 기반으로 구현되었다. Fig. 7(a)는 매니저 시스템이 에이전트가 전송한 IEEE 11073 표준 Association 및 DataReport 메시지를 수신 및 저장한 이후 자신의 레이아웃 상에 보여준 것이다. 해당 메시지의 디코딩 결과는 각각 Fig. 7의 (b) 및 (c)에서 확인할 수 있다.

Fig. 7.IEEE 11073 messages at u-Health manager. (a) Received association & Datareport messages, (b) decoded association message, and (c) decoded Datareport message.

4.4 응용 UI 구성 및 실험 결과

Fig. 8은 유헬스 매니저 시스템에 구현된 응용 인터페이스 및 실험 결과를 나타내고 있다. Fig. 8(a)는 매니저 시스템 역할을 수행하는 Android 기반의 운영체제 스마트폰에서 동작하는 어플리케이션 메인 화면이다. 첫 번째 버튼은 에이전트 시스템과 블루투스 통신을 통해 IEEE 11073-20601 MDER 인코딩 메시지를 수신할 수 있는 레이아웃으로 입장할 수 있고, 두 번째 버튼은 수신 메시지의 디코딩 결과 중 필요한 생체 데이터를 추출 및 저장하여 그래프로 보여주는 그래프 레이아웃으로 입장할 수 있다. 세 번째 버튼은 에이전트 시스템으로부터 가장 최근에 수신한 메시지와 디코딩 결과를 화면에 보여주는 레이아웃으로 입장하는 버튼이다. Fig. 8(b)에서는 매니저 시스템이 에이전트와 블루투스로 연결되는 순간 상태 메시지 구간에 연결 성공 텍스트가 나타난 것을 확인할 수 있다. Fig. 8(c)는 블루투스를 통해 에이전트 시스템으로부터 수신한 Association 메시지 및 Datareport 메시지를 일반 ASCII 코드 형태로 상태 메시지 구간에 표시한 화면이다. Fig. 8(d) 화면에 나타난 서브 메뉴를 선택하면 Fig. 8(e)에서와 같이 그룹화 된 생체 data를 확인 할 수 있는 Graph Layout으로 진입할 수 있다. Fig. 8(e)의 그래프는 매니저 시스템의 데이터베이스 (SQLite)에 저장된 데이터를 불러내어 그래프 수치로 나타낸 실험 결과이다. 마지막으로 Fig. 8(f)는 Decode 레이아웃 화면으로, 해당 레이아웃의 서브 메뉴와 함께 나타낸 것이다. 첫 번째 메뉴를 터치하면 Fig. 8(a)의 화면이 새로 고침 된다. 이는 에이전트 시스템으로부터 수신한 Association 메시지 및 Datareport 메시지를 이진 데이터로 나타낸 것이다. 두 번째 및 세 번째 메뉴를 터치하면 디코딩 과정을 거친 Assocation 메시지 및 Datareport 메시지가 화면에 각각 출력되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 8.Application user interfaces of u-Health manager system. (a) Application main layout. (b) connection to agent system, (c) message received from agent system, (d) Dropdown submenu at main layout, (e) grouped health data at graph layout, and (f) decode layout.

 

5. 결 론

본 논문에서는 IEEE 11073 에이전트에 코덱을 추가하여 유헬스 표준 기기뿐만 아니라 기존의 비표준 건강기기들도 유헬스 표준 서비스에 활용할 수 있는 방안을 제안함으로써 유헬스 표준 시스템과 비표준 시스템 간의 데이터 호환성 및 상호 운용성을 보장하도록 하였다. 또한 제안된 유헬스 에이전트 및 매니저 시스템을 오픈 하드웨어인 Intel Edison 플랫폼 및 안드로이드 OS 기반의 스마트폰에 각각 구현하여 기존의 비표준 건강 기기들도 IEEE 11073 PHD 프로토콜 기반의 유헬스 표준 서비스에 활용할 수 있음을 확인하였다. 따라서 제안 방안은 현재의 수많은 비표준 건강 및 의료 기기들로 인해 제한되고 있는 유헬스 서비스의 성장과 확장에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.