e-health 통신에서 상호운용성과 표준화를 향한 최신 기술의 경향과 도전들

TECHNICAL FOCUS

e-health 통신에서 상호운용성과 표준화를 향한
최신 기술의 경향과 도전들

정보의 교환은 무선 전송 기술의 도래에 기인한 패러다임의 전환을 경험하였으며, 최근 다양한 기술들이 제안되었다. 그러한 최신 기술들이 다양한 e-health 용도에 적용될 수 있다. 이 글은 복잡한 e-health 정보 통신 생태계에 편입될 수 있는 최신 기술들을 검토하고, ISO/IEEE 11073 상호운용성을 위한 전문화된 메디컬 프로파일을 채택한 전송 기술들을 상세히 설명함으로써, 표준을 따르는 무선 가능한 e-health 구조의 설계자들을 위한 최신 지침을 제공한다. 따라서 적절한 기술을 선택하여 설계할 책임이 있는 e-health 설계자들은 본 자료를 통하여 표준과 호환되는 무선 가능한 e-health 구조에 대한 흥미로운 출발점을 확인할 수 있을 것이다.

글 동국대학교 최윤석
자료협조 및 제공 KOSEN(한민족과학기술자 네트워크) www.kosen21.org

개요
새로운 기술 진보는 환자의 e-health 및 건강 응용 개발을 위한 혁신적인 배경을 창조하였다. 새로운 서비스와 솔루션들이 환자 정보 생태계로 집적되고 있으며, 웹 기반의 응용과 저장공간의 공유가 이러한 패러다임 전환에 공헌하였다. 이전에는 병원 내에서 독점적으로 관리되던 환자 정보가 요즘에는 웹을 통해 배포되어 모든 응용처가 사용자의 특정 데이터를 이용할 수 있게 되었다. 대부분의 최근 개인 건강 기기(PHD, Personal Health Devices)들은 전자 및 정보 기술에 관련된 많은 최근의 기술혁신들을 채택하여, 휴대가능하고 몸에 심을 수 있는 장치들을 선도하고 있으며, 이들 장치들은 접속성과 함께 센서의 발달로 가능해진 많은 측정 기술들을 포함한다.

환자의 말단 간 정보 흐름 경로는 세 부분, 즉 의료기기, 게이트웨이, 그리고 EHR(Electronic Health Record) 원격 서버로 구성되며, 이것들은 소프트웨어 응용과 미들웨어 기술을 사용하여 통합되어 환자에게 특정 용도에 관련된 개인화된 솔루션을 제공한다. 모든 용도는 보안, 범위, 신뢰성, 동작시간에 관련된 몇 개의 요건을 암시하며, 몇 개의 의료기기와 집적된 통신 기술들을 사용한다.

이들 e-health 네트워크의 특징에 따라 세 가지 응용 영역, 즉 신체/개인(Body/Personal), 단일/다중 사용자(Single/Multi-user), 그리고 상호통신(Intercommunication)이 제안된다(그림 1). 신체/개인 영역은 크기가 작고 몸에 심을 수 있는 지능적이고 생리학적인 장치들로 구성된다. 외부 처리 장치는 사용자의 움직임 범위 내에 위치한다. 단일/다중 사용자 영역은 일반적으로 몸에 심을 수 없는 장치들을 사용하여 한 사용자로부터 몇 개의 사용자까지의 그룹 로그인 능력을 제공한다. 상호통신 영역은 장치로부터 HER 원격 서버 연결 경로와, 게이트웨이로부터 HER 원격 서버 연결 경로 둘 다를 커버한다. 그러나 이러한 기술 확산은 e-health 응용 간의 상호운용성을 복잡하게 한다. 이것이 상호운용성 문제를 극복하고 동종의 e-health 생태계를 촉진시키기 위해 국제적인 계획과 기관들의 노력이 결정적인 이유이다. 의료 기기 통신을 고려해, 개인 건강 기기를 위한 특별 작업 그룹(PHDWG)이 2006년 이래 가동되어 왔고, 그 결과로 건강 기기들 간의 통신을 표준화 하기 위한 국제 규범 패밀리인 ISO/IEEE 11073 PHD (X73PHD)가 개발되었다. X73PHD를 지원하는 솔루션은 기술적 제한을 부과하지 않고 선택의 범위를 유지하여 각 경우에 대한 합리적인 선택을 가능하게 한다.

e-health 응용 기술 영역을 위한 최신 기술들
1. BAN/PAN 기술 영역
이 그룹에는 두 그룹이 정의될 수 있다. 첫 번째 그룹은 BTLE(Bluetooth Low Energy), ZigBee, NFC(Near Field Communications), WUSB (Wireless Universal Serial Bus), 6LoWPAN(IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks), 그리고 DASH7와 같은 표준들로 구성된다. BTLE는 초저전력, 낮은 지연, 간단한 장비 복구 서비스, 그리고 점대점 신뢰 가능한 전송의 특징을 갖는다. ZigBee는 낮은 전송률, 긴 배터리 수명, 데이터 암호화를 요하는 응용을 목적으로 한다. 하드웨어는 BT보다 상당히 간단하다. NFC는 낮은 커버리지, 빠른 데이터 교환, 작은 프레임 페이로드를 특징으로 하는 기술들의 그룹이다. WUSB는 UWB 기술을 기반으로 하며 아주 넓은 대역폭, 근접 기반의 연계 메커니즘, 그리고 유선통신에 근접하는 보안성의 특징을 갖는다.

6LoWPAN은 내장 장치에 방향을 맞추며, IP 연결성이 주된 특징이다. DASH7은 ISO/ IEC(International Electrotechnical Commission) 18000 표준을 기반으로 하며, 저전력 기술을 구현하고, BAN/PAN 기술 중에서 가장 넓은 커버리지(1 km)를 갖는 반면 전송률은 상당히 낮고, 낮은 지연, 감소된 프로토콜 스택, 암호화, 그리고 IPv6의 특징을 갖는다.

두 번째 그룹은 ANT, Sensium(Sensium Life Platform), Zarlink, Z-Wave와 같은 사유기술(私有技術, Proprietary Technology)로 구성된다. ANT는 무선 센서 네트워크(WSN)를 위해 설계된 범용 기술로서, 간단한 설계, 낮은 지연, 저전력, 가변 전송률을 특징으로 한다.

Sensium은 생체 신호 모니터링을 위한 무선 시스템으로서, 저전력, 마스터-슬레이브 토폴로지의 특징을 갖는다. 네트워크는 중앙집중적으로 관리되며, 모든 통신은 최대 16개의 노드를 연결할 수 있는 브리지를 통한 단일 홉이다. Zarlink는 몸에 심을 수 있는 초저전력 RF 송신기이다. 몸에 심겨진 송신기는 깨어날 때까지 매우 낮은 전력을 소비하며 슬립(Sleep) 상태를 유지한다. Z-Wave는 가정 내 전자 기기들과 통신하기 위한 저전력 기술에 기반한 사유 프로토콜로서, 원격제어 기능을 제공한다.

1. DASH7의 어원은 433MHz 대역의 air interface 통신을 정의하는 국제 표준인 ISO/IEC 18000-7의 '-7(dash seven)'에서 따온 것이다.

2. LAN/HAN 기술 영역
Wi-Fi Direct는 IEEE 802.11 x의 무선 계층을 갖고 있지만 무선 AP 없이 직접 서로 간에 통신할 수 있는 일련의 소프트웨어 프로토콜들로 구성되며, WPA2를 사용하여 보안을 유지한다. WiGit 로 알려진 새로운 최신 기술인 Gigabit WLAN은 초당 수 기가 비트의 전송률을 제공하며, 기존의 Wi-Fi 기술을 보완하는 역할을 할 것이다.

3. MAN/WAN 기술 영역
이 환경에서 새로운 기술의 출현은 뚜렷이 눈에 띈다. 무선 WAN 기술은 세대에 따라 2G (GSM, Global System for Mobile Communications), 2G 과도기 (GPRS, General Packet Radio Service; EDGE, Enhanced Data Rates for GSM Evolution 등), 3G (UMTS, Universal Mobile Telecommunications System; CDMA2000 등), 3G 과도기 (HSPA, Highspeed Packet Access; HSPA+, evolved HSPA; LTE, Long Term Evolution; WiMAX 등), 그리고 4 G (LTE Advanced; Mobile WiMAX Release 2)로 분류된다.

상호운용 가능한 e-health 환경을 위한
표준 기반의 기술 이니셔티브
새로운 의료기기를 e-health 생태계에 통합시키는 것은 복잡한 일이다. 말단 간 통합이 요구된다면 특히 그러하다. X73PHD는 PHD 통신을 위한 상호운용성 체계를 보증하는 국제 표준으로 고려된다. X73PHD 프로토콜 스택 구조는 두 레벨로 나뉜다. 상위 레벨(OSI 5-7계층)은 개인 건강 관리 응용들을 포함하며, 하위 레벨(OSI 1-4계층)은 X73PHD의 영역 밖인 전송기술들을 포함한다.

1. USB PHDC (Universal Serial Bus Personal Health Device Class)
USB는 X73PHD와 호환 가능한 프로파일을 내놓은(2007년 4월) 첫 번째 기술이었다. 이 USB PHDC 규격은 건강 기기와 호스트가 지원해야 하는 전체 구조를 기술하며, 장치에 관한 정보를 담고 있는 디스크립터와, 의료 자료를 교환하기 위한 명령어로 구성된다(그림 2). USB PHDC 프로파일은 표준, 클래스 규격, 그리고 옵션으로 분류될 수 있는 디스크립터의 계층을 정의한다. 계층 내에서 엔드포인트(Endpoint)들은 논리 채널들을 설정하여 호스트와 연결하기 위한 장치 내 논리 엔티티들로 정의된다. 각각은 지연 및 신뢰성과 선택적인 메터 데이터 디스크립터를 기술하기 위해 그 자신의 PHDC QoS(Quality of Service)를 갖는다. 통신 과정은 다음과 같다. 장치가 USB에 연결될 때, 호스트는 계산 과정이 시작되게 하고, 장치 디스크립터를 읽으며, 장치에 고유 번호를 할당한다.

2. BT HDP (Bluetooth Health Device Profile)
BT HDP는 MCAP(Multi-Channel Adaptation Protocol)이라 불리는 새로운 특정 프로토콜을 따라 2008년 6월에 나왔다(그림 3). MCAP은 제어 채널과 한 개 이상의 데이터 채널의 생성을 관리한다. L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol)은 모든 더 높은 프로토콜의 다중화, 흐름 제어, QoS, 재전송, 그리고 모든 패키지의 분할과 재조립을 정의한다.

SDP(Service Discovery Protocol)은 다른 BT 장치와 서비스의 발견을 관리한다. GAP(Generic Access Profile)은 인증, 암호화와 같이 모든 프로파일에 공통인 과정을 정의한다. HCI(Host Controller Interface)는 BT 모듈의 모든 하드웨어 구현과 호환 가능한 명령어와 이벤트를 기술한다. 통신 과정은 제어 채널을 설정하는 두 장치(소스 또는 싱크) 중 하나로 시작된다. 이 채널은 단지 MCAP 트래픽을 위해 사용되며, 두 장치는 그것을 사용해 한 개 이상의 데이터 채널의 생성을 조정하여 X73PHD 트래픽을 운반하게 한다. 최종적으로 한 쪽 말단이 데이터 채널과 제어 채널을 닫아서 연결을 종료한다.

3. ZHC(ZigBee Health Care) Profile
ZHC 프로파일은 2010년에 승인되었으며, 통신 명령을 따라 장치의 상태를 표현하는 속성들의 집합을 포함하는 장치 클러스터들의 기술을 제공한다. ZigBee 네트워크 내에 최대 세 가지 타입의 장치가 있을 수 있다.
ZC(ZigBee Coordinator)는 네트워크와 경로를 제어하며, ZR(ZigBee Router)는 네트워크 상에 따로 떨어진 장치들을 상호 연결한다. 그리고 ZED(ZigBee End Device)는 대부분의 시간을 잠잘 수 있어서 배터리 수명을 늘이고, 다른 장치와 통신하지 않는 시간 동안 부모 노드와 통신한다. 통신 과정은 두 개의 X73PHD 터널이 수립될 때 시작된다. 매니저는 서버로서, 에이전트는 클라이언트로서 행동하며, 이 역할은 상호적이다. 그 후 매니저는 에이전트가 X73PHD 프로파일을 설정했는지를 체크하고 연결 요구를 발생시킨다. 에이전트는 연결 상태 통지로 응답한다.

e-health 통신에서 상호운용성을 향한
경향과 도전들
다양한 기술 이니셔티브를 수립한 다음의 도전은 상호운용성을 보장하기 위해 통합된 솔루션에서 조화를 이루는 것에 방향을 맞추는 것이다. 이 방향은 주요 e-health 환경을 커버하는 환자 원격감시를 위한 견조하고 표준적이며 효율적인 생태계를 개발할 필요를 이끈다. 새로운 의료 프로파일의 개발과 구현은 이 분야에서의 진전을 위한 비결일 수 있다. 요즘 그러한 건강 프로파일의 채택은 CHA(Con tinua Health Alliance)에 의해 촉진되고 있다. CHA의 작업은 상호운용성에서 특정한 타당성을 갖기 위해 최신 기술들을 고려한다. 2011년 2월에 Continua는 Wi-Fi Direct 기술의 촉진과 채택을 위해 Wi-Fi Alliance와 공동연구 협정을 맺었다. 2009년 중반 CHA는 ZigBee에 맞춰 새로운 BTLE 규격인 내장 Bluetooth 4.0을 채택했다. 통합 과정을 향상시키기 위해 BT HDP 지원을 갖춘 스택 구현이 개발되었다.

WUSB는 아마도 X73PHD 통신 프로파일로 채택될 것이다. ZigBee는 6LoWPAN과 동일한 무선 표준을 공유한다. 6LoWPAN은 인터넷 기반의 넓은 네트워크에서 다양한 사유기술을 통합하는 문제를 해결하기 위해 만들어졌으며, 그것의 개방 구조와 IP 상호연결 능력 때문에 X73PHD로 통합될 대안으로 제시된다. 이와 병행하여, 2010년 이후 ZigBee Alliance, IETF와 IPSO(IP for Smart Objects) Alliance가 ZigBee IP 규격 상에서 HAN의 채택과 동작을 추진하기 위해 파트너가 되었다. ZigBee 스마트 에너지의 힘을 IP의 편재(遍在)와 결합하는 것은 스마트 에너지와 스마트 그리드 장치들의 풍부한 새로운 생태계를 촉발할 것이다. 넓은 동작 영역을 고려할 때, DASH7을 위한 특정한 의료 프로파일은 X73PHD를 경유하는 원격감시의 공개된 새 시나리오가 될 것이다. 반면에, 건강 면에서 NFC의 응용은 그것의 최소한의 그리고 빠른 정보 교환 때문에 아직 미지의 상태이나, 환자 인식, 질병 통제, 데이터 품질 개선, 그리고 비상 대응 등의 응용에 대해 연구하고 있다. 최종적으로, 단지 생물의학 환경을 위해서만이 아닌, 일반적인 멀티미디어 응용을 위해 의도된 ANT는 효율적인 설계와 저전력 특성을 제공한다. 그러나 닫힌 구조를 갖는 사유 프로토콜이기 때문에 X73PHD와 직접 호환되지는 않는다.

결론
본 분석물은 e-health 상황에서 사용될 수 있는 기존 및 최신 무선 전송 기술들의 포괄적인 개관을 제공하고 있다. 이들 기술에 대한 상세한 분석을 수행하였으며, 의료 측정을 위해 상호운용 가능하고 표준화된 교환의 기초를 놓을 최신기술의 현재의 경향과 미래의 과제들을 기술하였다. X73PHD 호환을 위해 의료 프로파일을 포함한 기존 기술들을 분석하고, 최신 무선기술들의 가능성을 확인하였다. 따라서 본 분석물은 이런 최신기술들이 상호운용성 체계를 지향하여 e-health 응용으로 통합되고, 특별히 요구되는 기술적 특징들을 충족시킬 것을 제안함으로써, 설계를 위해 적절한 기술을 선택할 책임이 있는 표준과 호환되는 무선통신 가능한 e-health 구조의 설계자들을 위한 흥미로운 출발점을 제공해줄 것으로 판단된다. 남은 문제를 해결하기 위해서는 상기와 같은 다양한 기술들의 상호운용성을 보장하기 위해 통합된 솔루션에서 조화를 이루는 것에 초점을 맞추어야 할 것이다.

참고문헌
[1] Antonio Aragues, Javier Escayola, Ignacio Martinez, Pilar del Valle, Pilar Munoz, Jesus D. Trigo, and Jose Garcia, University of Zaragoza, Trends and Challenges of the Emerging Technologies toward Interoperability and Standardization in e-Health Communications, IEEE Communications Magazine, Nov. 2011, pp.182~188.
[2] A. Helal et al., "Smart Home-Based Health Platform for Behavioral Monitoring and Alteration of Diabetes Patients," J. Diabetes Sci. Tech., vol. 3, Jan. 2009, pp.141~148.
[3] G. Gargiulo et al., "Wearable Dry Sensors with Bluetooth Connection for Use in Remote Patient Monitoring Systems," Stud. Health Tech. Info., vol. 161, 2010, pp.57~65.