의료사물인터넷(IoMT) CPS 개발과 과제
2019-08-28
org.kosen.entty.User@37e17703
박종만(jmp21c2013)
의료사물인터넷(IoMT) CPS 개발과 과제
박종만, jmp21c@paran.com
KOITA, ReSeat
Key words
IoMT, MCPS, Reliability, Safety, Security
의료 사물인터넷, 의료 사이버물리시스템, 신뢰성, 안전성, 보안성
1. 개요
최근 IoT(Interne of Things; 사물인터넷)의 산업적용이 활성화되면서 특정분야 IoT적용을 나타내는 두문자(Acronym)도 증가하고 있다. IoMT의 M은 제조, 분자, 멀티미디어등의 두문자를 나타내기도 하나 본고에서 IoMT는 IoMT(Internet of Medical Things; 의료사물인터넷)을 지칭한다. 여기서 'Medical'은 의료로 번역되지만 의료지원과 건강복지를 포괄하는 개념이며 본고의 서술시 기술적 개념에 비중을 둔다. IoMT는 CPS(Cyber Physical Systems; 디지털과 물리적 현실세계를 연결하고 통합관리하는 시스템)를 기반으로 위치 제한없이 대상자의 질병진단 및 치료의 효율성과 정확성 향상을 위해 생체 생리신호 측정 및 실시간 모니터링, 정보추출 및 이상유무 분석과 판단, 대응처리하는 HW/SW기술로 구성된다. 효율성은 주로 서비스시간과 비용 및 품질 요소이며 정확성은 신뢰성, 안전성, 보안성 요소를 포함한다. IoMT와 CPS 특히 MCPS(의료 CPS)는 개념유사성이 있으며 구현시 폐쇄 혹은 공개 형태의 시스템으로 분류되기도한다.
IoMT서비스 기술 적용환경은 서비스컨텐츠(S), 플랫폼(P), 네트워크(N), 디바이스(D) 부문별로 정보통신기술인 사물인터넷, 클라우드, 빅데이터, 모바일 기술과 인공지능, 보안 기술등을 피버팅하여 활용하는 정보 및 운영기술의 조합환경이다. 특히 IoT서비스의 연결 및 상호운영 특성을 상속하고 있는 기술환경이다. IoMT가 네트워크를 통해 IT시스템에서 의료건강복지(Medicare) 적용프로그램과 IoT 디바이스를 연결하는 기술[1]이라는 협의적 정의도 있으나, IoMT구현의 광의적 핵심동인은 노령인구와 만성질병 증가로 인한 사회적 생산성 저하와 비용증가 방지, 개인별 의료 및 건강 복지를 위한 원격지원에 있으며, 관련 기술은 측정정보의 신뢰성, 정보 제공의 효율성, 비용의 최적화를 전제로한다. 현재 IoMT는 생명과 건강관련 시스템이라는 임계특성을 내재하고 있기 때문애 생태계 성숙 이전임에도 신뢰성, 안전성, 보안성확보를 위한 도전에 직면하고 있다. 이에 기본적 해결방안을 정립하려는 대안의 하나로 우선 IoMT와 CPS 기본역활과 구성에 대한 이해를 공유하고 IoMT와 MCPS 선행연구 및 동향, 개발주제 및 이슈와 시사점을 통해 IoMT 설계자들을 지원하고자 한다. 보고서는 CPS 방법론 기반의 IoMT 개발 및 개선 과제를 추출하기 위한 선행 연구, 최근의 토픽과 이슈, 연구개발 시사점, 결론으로 구성되며 실질적인 개발 방향성에 대해 언급한다.
2. 주요 내용
2.1. IoMT와 CPS 선행연구
IoT는 잘알려진 개념이기 때문에 별도 정의를 기술하지 않으며, IoMT는 IoT 와 궤를 같이 하고 특성을 상속하므로 서론에서의 의미를 공유한다. CPS 역시 잘알려진 개념으로, 디지털세계와 현실세계를 연결하고 이들을 효율적으로 제어하기 위한 방법론 및 설계개념과 방향성을 현실세계의 물리적 프로세스에 구현하는 복합적 컴퓨팅시스템을 지칭한다. 의료분야에서의 CPS 적용을 의미하는 MCPS는 신뢰성과 안전성 및 보안성 기반의 의료디바이스를 위한 포괄적인 모델링과 설계 프레임워크를 제공하고 IoMT에 대한 포괄적 솔루션을 제공한다[1]. 예를 들면, 물리적 모델링은 주로 IoMT 디바이스 층이 대상이고, 운영환경에서의 행위를 확인하기 위한 연속 및 불연속적 모델링은 통신 및 응용 층이 대상이다. 즉 IoMT는 신뢰성과 안전성 및 보안성을 제공하기 위한 복합적 MCPS의 연결망과 시스템으로 구성된다.
IoMT의 신뢰성, 안전성, 보안성 문제를 해결하기 위한 연구들은 생물학적 프로세스, 일반 및 복합 컴퓨팅시스템에 대한 모델링, 보안, 입증 및 검증분야로 분류된다. IoMT는 MCPS의 상호연결이고 이슈화된 툴들은 MCPS의 물리적이고 디지털적인 특성에 대한 모델링 프레임워크를 제공[2]하므로, 모델기반 IoMT 개발에서 발생하는 대부분의 문제는 CPS 모델링에 기인한다[3]는 연구가 있다. 이산적 불연속시스템 모델링은 연속적 시스템의 복합적 모델링[4]으로 다양하게 확대 연구되고 있다. 생물학적 프로세스는 생리학적 임의성과 고유 특성때문에 모델링하기가 어려워 물리적, 생화학적 이외의 다양한 특성에 의존적이며 모델들은 특정분야 응용을 위해 개발되어 왔다. IoMT 컴퓨팅은 예측성 강화를 위한 정확한 모델링을 요구하게 되었으며 다양한 모델링이 제시되고 있다. IoMT구축을 위한 실질적 MCPS의 구현능력은 현실 의료분야의 디지털 및 물라적 세계에 대한 정확한 모델링이 가능하도록 복헙적인 모델링에 의존적이게 된다.
의료시스템과 IoMT의 주요문제는 수집데이터의 프라이버시와 보안이며 특히 이식형 생명유지 의료기능이 절취되는 경우 생명에 치명적일 수 있어 극히 중요하다. 의료디바이스의 연결성도 이슈이며 가장 큰 보안 우려사항은 견고함과 신뢰성인데 급작스런 응급상황에서도 HW/SW의 확고한 작동이 필요하다는 점이다. 이외에 디바이스들은 실시간 데이터수집, 네트워크 구조, 정확한 컴퓨터 프로세싱, FDA 같은 권위있는 규제기관의 인증 등 입증과 검증이 필요하다. 이는 CPS의 설계 방법론과 모델링으로 해결이 가능하다.
IoMT상황에 따른 CPS의 설계에서 디바이스층, 프레임워크층이나 서비스층의 층별 검토에 집중할 필요가 있다[1]. 첫째, IoMT 디바이스 설계시 디바이스의 저에너지 프로토콜, 글로벌 표준화, 서비스 추상화 수준 등이 고려되어야 한다. 연구의 대부분은 다양한 생리적 프로세스 추적을 위한 IoMT디바이스 모델개발에 집중하고 있으며 연구 대상인 착용형 IoMT디바이스는 침습 이식형 의료 디바이스에서 비침습 착용형 센서에 이르기 까지 다양하다. CPS의 타당성 입증을 위한 시스템으로 인간 생리의 감지에러 검출에 신체를 활용하는 다양한 모델등이 있으며, IoMT의 입증 및 검증 이슈는 강건성과 보안 주제와 같이 논의되고 있다. 그러나 강건성과 보안연구의 비중이 입증 및 검증 연구 대비 3분의 1 수준이므로 디바이스 수준에서의 CPS 보안 통합 연구가 과제이다. 이러한 디바이스는 IoMT의 구축의 한 블록이며 IoMT 애플리케이션은 질병진단, 응급의료대응을 위한 원격 모니터링의 핵심이므로 특정기능 작동이 아닌 시스템작동 판단을 위한 디바이스의 비기능적 특성은 보장되고 믿음이 있어야 한다. 비기능적 특성을 향상시키기 위한 우위적인 방법은 이론적인 기능성모델보다 디바이스의 실행을 시험하기 위한 실험적 모델기반의 개발을 추진하는 것이다. 디바이스와 생물학적 프로세스의 이질성과 다양성 으로 식별되는 명확한 모델링 프레임워크의 트렌드는 없지만 이론적 개발수준 향상에 앞서 신뢰성, 안전성, 보안성 기반의 실질적 의료디바이스 개발을 위한 방법론의 적용단계가 핵심이며 필수적이다.
둘째, IoMT 통합 프레임워크에서 의료디바이스 통합을 위한 네트워크 구조와 착용형 IoMT기반 시스템 역시 강건성과 보안이 빈번한 이슈이다. 의료데이터 전송의 기밀성, 데이터보호 측정치, 데이터 암호화와 사용자 인증, 서비스부인 공격, 보안 프레임워크, 네트워크 IoMT 공격감지 방법, IoMT를 위한 상호운영성 분석 프레임워크를 통한 이종센서 네트워크의 강건성, 이상행위기반 침입 감지 모델 등의 연구들이 있다. IoMT기반 시스템의 입증 및 검증 역시 독립적 주제이며 센서와 디바이스 네트워킹, 원격 모니터링 입증, 노드 동기화 평가, CPS를 위한 WoT개발, 인터넷 기반 CPS, 이벤트기반 네트워크 IoMT 디바이스 모델, 네트워크 CPS 구조 등의 관련 연구들이 있다. 이외 클라우드 기반의 IoMT시스템과 원격 환자모니터링에 참조모델 활용, 데이터 평가의 질, 신체네트워크(BAN: Body Area Network) 시험 플랫폼 구축활용, BAN을 위한 패킷스케쥴링이나 전력 최적화, 자원제약 네트워크 노드 운영, 이진센서기반 네트워크 IoMT, 특수용도 IoMT 시스템, 임신 모니터링 플랫폼 등의 입증 및 검증 관련 연구들과 네트워크 디바이스 강건성, 암호화와 데이터보호를 위한 생리적 파라미터 기반의 키 생성에 대한 입증 연구들도 있다. 요약하면, 디바이스의 통합은 주로 네트워킹을 배경으로 연구되고 있다. IoMT는 네트워크연결 디바이스들로 구성되어 디바이스의 신뢰성, 안전성, 보안이 설계 및 운영 양측면에서 연구개발되어야 한다. 이는 모델기반 디자인과 정형적 입증 및 검증 툴을 사용하여 달성될 수 있다. 신뢰적 IoMT 프레임워크 구축 역시 신뢰적이고 탄력적인 네트워크 개발이 긍정적인 연구방향이다.
셋째, IoMT서비스층의 연구보다 CPS배경의 디바이스 및 프레임워크층 연구 빈도가 많게 나타난다. IoMT설계시 서비스지향적 방법의 핵심은 QoS 요구사항과 시스템 기법 및 모델이다. 환자와 의사 통합서비스를 위한 대규모 IoMT의 QoS를 보증하는 네트워크 컨트롤러의 사용관련 연구와 CPS네트워크의 QoS 필요사항, CPS 디바이스와 프레임워크 QoS 관리구조, 모델링, 미들웨어 등에 대한 연구등이 있다. 서비스 지향 IoMT 솔루션으로 온톨로지 모델이나 구조분석과 설계언어 기반의 CPS 모델, CPS 프로세스 디자인, 자가서비스 기반 프레임워크 연구등이 있다. 서비스 기반 IoMT의 다른 연구 주제는 연결사물에 대한 데이터타입지정 인터페이스 제시에 의한 디바이스 제어 추상화 수준을 지정하는 미들웨어의 구조와 배치, IPv6네트워크데 대한 객체통합 목적의 고도화 XML 등이 있다. CPS 프로토콜과 시스템 QoS, IoMT상황을 고려하는 클라우드와 빅데이터 서비스기반의 원격헬스서비스, CPS를 위한 데이터수집 서비스 연구등이 있다. 서비스지향 IoMT와 의료디바이스 및 애플리케이션 간의 HW와 SW의 협력 연구가 필요하다.
2.2. 최신의 Topic과 이슈
최근의 Topic이나 핫이슈로 최신 논문, 특허, 가술 및 시장동향을 근거할수 있으나 워크숍 형태를 통한 논의가 더 현실적일수 있다는 가정하에 특정 워크숍 주제로 최신 토픽과 이슈들을 살펴본다. 2019년 9월 개최예정인 IoMT 글로벌워크숍[5]의 IoMT와 의료CPS(MCPS) 관심분야와 관련주제는 표. 1과 같으며 부분적 논의 및 방향성 유추가 가능하다. MCPS는 폐쇄적시스템 (Closed Loop)의 범위에서 인간, 사이버 물리적 요소들을 통합하는 신 세대 스마트 의료 시스템을 포함하며, 첨단기술에 의한 치료와 난이도가 높은 수술기술 등의 전파에 의한 환자 건강증진을 목표로 하고 있다. 즉 IoMT 워크숍에서의 MCPS 논의 목적은 연구 및 산업계, 헬스케어 제공자, 정부 에이전트들에게 IoMT와 관련된 MCPS 개발 아이디어 탐색, 공개적 도전사항 논의, 경험보고, 혁신적 방법 및 툴에 대한 증명기회의 제공에 있다. 표. 1에서 제시된 관심분야와 관련주제는 선행 연구대비 크게 다른 점은 없으며 IoMT보다 전통적 IT기술 기반 의료 디바이스 개발과
박종만, jmp21c@paran.com
KOITA, ReSeat
Key words
IoMT, MCPS, Reliability, Safety, Security
의료 사물인터넷, 의료 사이버물리시스템, 신뢰성, 안전성, 보안성
1. 개요
최근 IoT(Interne of Things; 사물인터넷)의 산업적용이 활성화되면서 특정분야 IoT적용을 나타내는 두문자(Acronym)도 증가하고 있다. IoMT의 M은 제조, 분자, 멀티미디어등의 두문자를 나타내기도 하나 본고에서 IoMT는 IoMT(Internet of Medical Things; 의료사물인터넷)을 지칭한다. 여기서 'Medical'은 의료로 번역되지만 의료지원과 건강복지를 포괄하는 개념이며 본고의 서술시 기술적 개념에 비중을 둔다. IoMT는 CPS(Cyber Physical Systems; 디지털과 물리적 현실세계를 연결하고 통합관리하는 시스템)를 기반으로 위치 제한없이 대상자의 질병진단 및 치료의 효율성과 정확성 향상을 위해 생체 생리신호 측정 및 실시간 모니터링, 정보추출 및 이상유무 분석과 판단, 대응처리하는 HW/SW기술로 구성된다. 효율성은 주로 서비스시간과 비용 및 품질 요소이며 정확성은 신뢰성, 안전성, 보안성 요소를 포함한다. IoMT와 CPS 특히 MCPS(의료 CPS)는 개념유사성이 있으며 구현시 폐쇄 혹은 공개 형태의 시스템으로 분류되기도한다.
IoMT서비스 기술 적용환경은 서비스컨텐츠(S), 플랫폼(P), 네트워크(N), 디바이스(D) 부문별로 정보통신기술인 사물인터넷, 클라우드, 빅데이터, 모바일 기술과 인공지능, 보안 기술등을 피버팅하여 활용하는 정보 및 운영기술의 조합환경이다. 특히 IoT서비스의 연결 및 상호운영 특성을 상속하고 있는 기술환경이다. IoMT가 네트워크를 통해 IT시스템에서 의료건강복지(Medicare) 적용프로그램과 IoT 디바이스를 연결하는 기술[1]이라는 협의적 정의도 있으나, IoMT구현의 광의적 핵심동인은 노령인구와 만성질병 증가로 인한 사회적 생산성 저하와 비용증가 방지, 개인별 의료 및 건강 복지를 위한 원격지원에 있으며, 관련 기술은 측정정보의 신뢰성, 정보 제공의 효율성, 비용의 최적화를 전제로한다. 현재 IoMT는 생명과 건강관련 시스템이라는 임계특성을 내재하고 있기 때문애 생태계 성숙 이전임에도 신뢰성, 안전성, 보안성확보를 위한 도전에 직면하고 있다. 이에 기본적 해결방안을 정립하려는 대안의 하나로 우선 IoMT와 CPS 기본역활과 구성에 대한 이해를 공유하고 IoMT와 MCPS 선행연구 및 동향, 개발주제 및 이슈와 시사점을 통해 IoMT 설계자들을 지원하고자 한다. 보고서는 CPS 방법론 기반의 IoMT 개발 및 개선 과제를 추출하기 위한 선행 연구, 최근의 토픽과 이슈, 연구개발 시사점, 결론으로 구성되며 실질적인 개발 방향성에 대해 언급한다.
2. 주요 내용
2.1. IoMT와 CPS 선행연구
IoT는 잘알려진 개념이기 때문에 별도 정의를 기술하지 않으며, IoMT는 IoT 와 궤를 같이 하고 특성을 상속하므로 서론에서의 의미를 공유한다. CPS 역시 잘알려진 개념으로, 디지털세계와 현실세계를 연결하고 이들을 효율적으로 제어하기 위한 방법론 및 설계개념과 방향성을 현실세계의 물리적 프로세스에 구현하는 복합적 컴퓨팅시스템을 지칭한다. 의료분야에서의 CPS 적용을 의미하는 MCPS는 신뢰성과 안전성 및 보안성 기반의 의료디바이스를 위한 포괄적인 모델링과 설계 프레임워크를 제공하고 IoMT에 대한 포괄적 솔루션을 제공한다[1]. 예를 들면, 물리적 모델링은 주로 IoMT 디바이스 층이 대상이고, 운영환경에서의 행위를 확인하기 위한 연속 및 불연속적 모델링은 통신 및 응용 층이 대상이다. 즉 IoMT는 신뢰성과 안전성 및 보안성을 제공하기 위한 복합적 MCPS의 연결망과 시스템으로 구성된다.
IoMT의 신뢰성, 안전성, 보안성 문제를 해결하기 위한 연구들은 생물학적 프로세스, 일반 및 복합 컴퓨팅시스템에 대한 모델링, 보안, 입증 및 검증분야로 분류된다. IoMT는 MCPS의 상호연결이고 이슈화된 툴들은 MCPS의 물리적이고 디지털적인 특성에 대한 모델링 프레임워크를 제공[2]하므로, 모델기반 IoMT 개발에서 발생하는 대부분의 문제는 CPS 모델링에 기인한다[3]는 연구가 있다. 이산적 불연속시스템 모델링은 연속적 시스템의 복합적 모델링[4]으로 다양하게 확대 연구되고 있다. 생물학적 프로세스는 생리학적 임의성과 고유 특성때문에 모델링하기가 어려워 물리적, 생화학적 이외의 다양한 특성에 의존적이며 모델들은 특정분야 응용을 위해 개발되어 왔다. IoMT 컴퓨팅은 예측성 강화를 위한 정확한 모델링을 요구하게 되었으며 다양한 모델링이 제시되고 있다. IoMT구축을 위한 실질적 MCPS의 구현능력은 현실 의료분야의 디지털 및 물라적 세계에 대한 정확한 모델링이 가능하도록 복헙적인 모델링에 의존적이게 된다.
의료시스템과 IoMT의 주요문제는 수집데이터의 프라이버시와 보안이며 특히 이식형 생명유지 의료기능이 절취되는 경우 생명에 치명적일 수 있어 극히 중요하다. 의료디바이스의 연결성도 이슈이며 가장 큰 보안 우려사항은 견고함과 신뢰성인데 급작스런 응급상황에서도 HW/SW의 확고한 작동이 필요하다는 점이다. 이외에 디바이스들은 실시간 데이터수집, 네트워크 구조, 정확한 컴퓨터 프로세싱, FDA 같은 권위있는 규제기관의 인증 등 입증과 검증이 필요하다. 이는 CPS의 설계 방법론과 모델링으로 해결이 가능하다.
IoMT상황에 따른 CPS의 설계에서 디바이스층, 프레임워크층이나 서비스층의 층별 검토에 집중할 필요가 있다[1]. 첫째, IoMT 디바이스 설계시 디바이스의 저에너지 프로토콜, 글로벌 표준화, 서비스 추상화 수준 등이 고려되어야 한다. 연구의 대부분은 다양한 생리적 프로세스 추적을 위한 IoMT디바이스 모델개발에 집중하고 있으며 연구 대상인 착용형 IoMT디바이스는 침습 이식형 의료 디바이스에서 비침습 착용형 센서에 이르기 까지 다양하다. CPS의 타당성 입증을 위한 시스템으로 인간 생리의 감지에러 검출에 신체를 활용하는 다양한 모델등이 있으며, IoMT의 입증 및 검증 이슈는 강건성과 보안 주제와 같이 논의되고 있다. 그러나 강건성과 보안연구의 비중이 입증 및 검증 연구 대비 3분의 1 수준이므로 디바이스 수준에서의 CPS 보안 통합 연구가 과제이다. 이러한 디바이스는 IoMT의 구축의 한 블록이며 IoMT 애플리케이션은 질병진단, 응급의료대응을 위한 원격 모니터링의 핵심이므로 특정기능 작동이 아닌 시스템작동 판단을 위한 디바이스의 비기능적 특성은 보장되고 믿음이 있어야 한다. 비기능적 특성을 향상시키기 위한 우위적인 방법은 이론적인 기능성모델보다 디바이스의 실행을 시험하기 위한 실험적 모델기반의 개발을 추진하는 것이다. 디바이스와 생물학적 프로세스의 이질성과 다양성 으로 식별되는 명확한 모델링 프레임워크의 트렌드는 없지만 이론적 개발수준 향상에 앞서 신뢰성, 안전성, 보안성 기반의 실질적 의료디바이스 개발을 위한 방법론의 적용단계가 핵심이며 필수적이다.
둘째, IoMT 통합 프레임워크에서 의료디바이스 통합을 위한 네트워크 구조와 착용형 IoMT기반 시스템 역시 강건성과 보안이 빈번한 이슈이다. 의료데이터 전송의 기밀성, 데이터보호 측정치, 데이터 암호화와 사용자 인증, 서비스부인 공격, 보안 프레임워크, 네트워크 IoMT 공격감지 방법, IoMT를 위한 상호운영성 분석 프레임워크를 통한 이종센서 네트워크의 강건성, 이상행위기반 침입 감지 모델 등의 연구들이 있다. IoMT기반 시스템의 입증 및 검증 역시 독립적 주제이며 센서와 디바이스 네트워킹, 원격 모니터링 입증, 노드 동기화 평가, CPS를 위한 WoT개발, 인터넷 기반 CPS, 이벤트기반 네트워크 IoMT 디바이스 모델, 네트워크 CPS 구조 등의 관련 연구들이 있다. 이외 클라우드 기반의 IoMT시스템과 원격 환자모니터링에 참조모델 활용, 데이터 평가의 질, 신체네트워크(BAN: Body Area Network) 시험 플랫폼 구축활용, BAN을 위한 패킷스케쥴링이나 전력 최적화, 자원제약 네트워크 노드 운영, 이진센서기반 네트워크 IoMT, 특수용도 IoMT 시스템, 임신 모니터링 플랫폼 등의 입증 및 검증 관련 연구들과 네트워크 디바이스 강건성, 암호화와 데이터보호를 위한 생리적 파라미터 기반의 키 생성에 대한 입증 연구들도 있다. 요약하면, 디바이스의 통합은 주로 네트워킹을 배경으로 연구되고 있다. IoMT는 네트워크연결 디바이스들로 구성되어 디바이스의 신뢰성, 안전성, 보안이 설계 및 운영 양측면에서 연구개발되어야 한다. 이는 모델기반 디자인과 정형적 입증 및 검증 툴을 사용하여 달성될 수 있다. 신뢰적 IoMT 프레임워크 구축 역시 신뢰적이고 탄력적인 네트워크 개발이 긍정적인 연구방향이다.
셋째, IoMT서비스층의 연구보다 CPS배경의 디바이스 및 프레임워크층 연구 빈도가 많게 나타난다. IoMT설계시 서비스지향적 방법의 핵심은 QoS 요구사항과 시스템 기법 및 모델이다. 환자와 의사 통합서비스를 위한 대규모 IoMT의 QoS를 보증하는 네트워크 컨트롤러의 사용관련 연구와 CPS네트워크의 QoS 필요사항, CPS 디바이스와 프레임워크 QoS 관리구조, 모델링, 미들웨어 등에 대한 연구등이 있다. 서비스 지향 IoMT 솔루션으로 온톨로지 모델이나 구조분석과 설계언어 기반의 CPS 모델, CPS 프로세스 디자인, 자가서비스 기반 프레임워크 연구등이 있다. 서비스 기반 IoMT의 다른 연구 주제는 연결사물에 대한 데이터타입지정 인터페이스 제시에 의한 디바이스 제어 추상화 수준을 지정하는 미들웨어의 구조와 배치, IPv6네트워크데 대한 객체통합 목적의 고도화 XML 등이 있다. CPS 프로토콜과 시스템 QoS, IoMT상황을 고려하는 클라우드와 빅데이터 서비스기반의 원격헬스서비스, CPS를 위한 데이터수집 서비스 연구등이 있다. 서비스지향 IoMT와 의료디바이스 및 애플리케이션 간의 HW와 SW의 협력 연구가 필요하다.
2.2. 최신의 Topic과 이슈
최근의 Topic이나 핫이슈로 최신 논문, 특허, 가술 및 시장동향을 근거할수 있으나 워크숍 형태를 통한 논의가 더 현실적일수 있다는 가정하에 특정 워크숍 주제로 최신 토픽과 이슈들을 살펴본다. 2019년 9월 개최예정인 IoMT 글로벌워크숍[5]의 IoMT와 의료CPS(MCPS) 관심분야와 관련주제는 표. 1과 같으며 부분적 논의 및 방향성 유추가 가능하다. MCPS는 폐쇄적시스템 (Closed Loop)의 범위에서 인간, 사이버 물리적 요소들을 통합하는 신 세대 스마트 의료 시스템을 포함하며, 첨단기술에 의한 치료와 난이도가 높은 수술기술 등의 전파에 의한 환자 건강증진을 목표로 하고 있다. 즉 IoMT 워크숍에서의 MCPS 논의 목적은 연구 및 산업계, 헬스케어 제공자, 정부 에이전트들에게 IoMT와 관련된 MCPS 개발 아이디어 탐색, 공개적 도전사항 논의, 경험보고, 혁신적 방법 및 툴에 대한 증명기회의 제공에 있다. 표. 1에서 제시된 관심분야와 관련주제는 선행 연구대비 크게 다른 점은 없으며 IoMT보다 전통적 IT기술 기반 의료 디바이스 개발과
| 관심 분야 | 관련 주제 |
| 의료디바이스 및 시스템 모델 기초 | 이종시스템의 산호운영성을 지원하기 위한 의료디바이스 P&P, 세부 시스템, 가속화 디자인과 입증가능 시스템 통합을 위한 부품기반 기술 |
| 미래 의료디바이스 구현기술 | 정규 이식디바이스, 바이오센서 네트워크, 원격수술, 로봇수술, 생리신호 서비스 질, 개발도상국 MCPS |
| 망 연결 의료디바이스의 분산 제어 및 센싱 | 불확정 복합 모델시스템의 강건하고 입증가능하며 장애허용이나 결함감내 가능한 제어 |
| 의료디바이스 P&P 생태계 | 블랙박스 데이터기록, 디바이스 인증, 데이터보안을 포함하는 병원환경에서의 상호작용성 지원을 위한 요구사항과 표준 |
| 인간 기계간 인터페이스 | 사용안전 요구사항 식별, 의료사용자 인터페이스 디자인의 모델기반 분석, 의료디바이스와 사용자 연구, 의료디바이스 사용에러 분석과 모델링 |
| 환자 모델링과 시물레이션 | 설계와 시험을 위한 대규모 고 충실도를 가진 환자 모델 |
| 고신뢰 의료디바이스 탑재 실시간 네트워크시스템 구조 | P&P운영 기반의 구조, 플랫폼,미들웨어, 자우너관리, QoS, 동적 운영 |
| 고신뢰 의료디바이스SW개발 과 보증 | 건강돌봄이 필요사항 발췌, 설계 및 실행, 입증 및 검증, 의료디바이스의 환경, 구조, 플랫폼의 이질성 처리 |
| IoMT | 모바일 의료 앱, 데이터분석, 보안, 로깅, 포렌식, 프라이버시 |
| 의료사례기반의 모델과 필요 사항 | 사용자 중심의 디자인, 위험 이해, 모델의 오남용, 병원환경에서의 고장관리, 디바이스및 건강돌봄이, 환자 모두를 포함하는 운영시나리오 모델링 |
| 의료디바이스 인증 | 의료디바이스와 시스템의 상호 운영 인증, 디자인 툴과 상용화 툴의 역활, 자가 적응 의료시스템의 도전 |
표 1 IoMT와 의료CPS(MCPS) 관심분야와 관련주제
시스템의 단순 구현연구보다 운영까지 고려하는 서비스지향적 측면에서 MCPS 모델링을 논의할 것으로 유추된다. IoMT관련해서 모바일 앱과 보안이 언급되고 있다. 최신기술동향인 엣지컴퓨팅, 인공지능, 블록체인활용 등 첨단기술 활용관련 주제가 표면적으로는 언급되지 않아 아쉬움이 있으나 기본에 충실하려는 의도로 해석되기도 한다.
2.3. 시사점
IoMT 디바이스와 시스템에 대한 고수준의 핵심기능 개선은 서비스 구성을 통해 포괄적이고 개인화된 의료솔루션과 디바이스 통합의 신뢰성을 개선할수 있다. 앞절의 네트워크 구조에서 M2M 통신과 표준화에 대한 의문이 생길수 있으나, 단절없는 CPS통신을 위해서는 IoMT나 CPS상황에서 디바이스가 6LoWPAN, MAC, IEEE 802.15.4와 같은 표준 통신 프로토콜을 사용하는 방법을 연구해애 한다. M2M통신 토픽은 프로토콜보다 복잡하나 네트워크 구조, 이질성, QoS, 에너지소비, 자원관리문제 조사와 이해를 통해 IoMT를 개선할수있다. oneM2M 표준화는 애플리케이션 수준에서 기존의 HTTP, CoAP, MQTT에 적용되는 API로 상호운영성 제공에 집증하나 일반적 대표디바이스와 접속메커니즘을 제공하는 일반적 미들웨어처럼 작동한다. 의료디바이스나 시스템의 상호운영성을 위한 프레임워크로 MD P&P나 MDCF(Medical Device Coordiantion Framework) 같은 공개 SW나 자바메시지서비스(JMS)를 활용할 수 있다. 그러나 특정 프로토콜 의존적이거나 확장성이 제한적인 특성들이 오히려 HW제약으로 다중프로토콜을 사용해야 하는 IoMT 상황에서 장애요소가 되기도 한다. 요약하면 디바이스와 시스템의 이질성에 기인하는 상호운영성 과제는 지속적으로 남아있다. 보행 파라미터 모니터링 디바이스에서 다중목적의 BSN까지 다양한 의료 모니터링 디바이스의 검토는 성능향상과 적용방법을 개선시킬수 있다. 그러나 아직 전체 스택에 대한 접근이나 동시적 접근 방법의 연구가 부족하여 보완 연구가 필요하다. IoMT를 통한 건강 애플리케이션을 확산시키기 위해서는 조사가 필요하며 모듈성과 상호운영성을 향상시키기 위한 서비스지향구조를 사용하는 연구방향성이 필요하다. IoMT를 구성하는 디바이스와 구조의 실험적 의료검증 연구도 필요하며, 기존의 심박측정의 정확도나 착용형 의료 디바이스의 물리적 활동 측정치의 정확도 조사가 필요하며, 조사가 인정받기 위해서는 IoMT 부품의 정확성에 대한 연구도 필요하다. IoMT 개발은 신뢰적 디바이스의 개발이 중점이었으나 현재는 통합 프레임워크에 집증 하고있는 가운데 서비스지향적 IoMT가 출현하기 시작했다. MCPS는 IoMT기반 디바이스와 시스템 의 신뢰성, 안전성, 보안성을 구현하기 위한 디자인 프로세스라고 할수 있다.
3. 결론
IoMT(의료사물인터넷)를 위한 MCPS(의료사이버물리시스템)인지 MCPS를 위한 IoMT인지에 대한 관점은 접근시각에 따라 다르다. IoT가 CPS안에서 인터넷기술을 활용하나 인터넷의 프로토콜과 원리는 CPS가 아닌 정보시스템과의 상호작용을 위해 디자인되었다는 관점에서 보면, IoT는 실시간으로 물리적 세계의 정보 교환과 협력을 위해 인터넷기술을 활용하는 CPS의 클래스[6]로 보는 시각도 무리는 아니다. 한정적 위치에서의 폐쇄적 특정시스템 형태인 MCPS를 기존시스템의 전형이라고 보면 IoMT는 미래지향적 의료시스템으로 볼수 있다. 디지털 의료와 스마트의료의 관점도 유사한 점이 있다. 중요한 것은 호칭이 아니라 내용이다. MCPS가 IoMT시스템의 디자인 프로세스라면 IoMT시스템의 신뢰성, 안전성, 보안성을 구현하기 위해 당연히 MCPS는 앞서 언급한 과제를 우선적으로 해결해야 한다. 첨단기술에 의한 가시적 시범사업이 실패하면 적정기술에 의한 혁신효과보다 성과가 적을수도 있다. 사업이나 산업성장 모두 기본이 중요하다. 향후 연구는 IoMT시스템이 서비스지향적 구조를 갖되 프레임워크 구현에 AI, 블록체인, 엣지컴퓨팅의 접목을 연계시켜야 한다. 아울러 타당성 검증단계는 반드시 경제성 혹은 수익성 검토가 전제되어야 한다. 특히 기업관련 독자들은 IoMT와 MCPS관련 국내외 사업화 진행에서 IoMT 규제와 관련, Health and Human Services (HHS) Office for Civil Rights (OCR), US Food and Drug Administration(FDA), Joint Commission International(JCI) 기관들의 기술자료 및 규제내용과 인가동향을 밀착하여 주시할 필요가 있다.
References
1. Arthur Gatouillat, Youakim Badr, Bertrand Massot, Ervin Sejdi？. Internet of Medical Things: A
Review of Recent Contributions Dealing with Cyber-Physical Systems in Medicine. IEEE Internet of
Things Journal, IEEE, 2018, 5 (5), pp.3810 - 3822. 2018. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-018362 36 Submitted on 8 Feb 2019
2. W.Wolf, Cyber-physical systems, Computer, vol. 42,no.3, pp.88–89, march 2009.
3. J. C. Jensen, D. H. Chang, E. Lee et al., A model-based design methodology for cyber-physical systems, 7th International on Wireless Communications and Mobile Computing Conference. IEEE, pp. 1666–1671. 2011
4. E. A. Lee and S. A. Seshia, Introduction to embedded systems: A cyber-physical systems approach , 2011
5. The 4th IEEE/ACM Conference on Connected Health, Medical Cyber-Physical Systems (MCPS) in the Internet of Medical Things workshop 2019, SEpt. 27, 2019
6. Marten Lohstroh, Hokeun Kim, John C. Eidson, Chadlia Jerad, Beth Osyk, Edward A. Lee, On Enabling Technologies for the Internet of Important Things, IEEE Access, Volume 7, 2019
시스템의 단순 구현연구보다 운영까지 고려하는 서비스지향적 측면에서 MCPS 모델링을 논의할 것으로 유추된다. IoMT관련해서 모바일 앱과 보안이 언급되고 있다. 최신기술동향인 엣지컴퓨팅, 인공지능, 블록체인활용 등 첨단기술 활용관련 주제가 표면적으로는 언급되지 않아 아쉬움이 있으나 기본에 충실하려는 의도로 해석되기도 한다.
2.3. 시사점
IoMT 디바이스와 시스템에 대한 고수준의 핵심기능 개선은 서비스 구성을 통해 포괄적이고 개인화된 의료솔루션과 디바이스 통합의 신뢰성을 개선할수 있다. 앞절의 네트워크 구조에서 M2M 통신과 표준화에 대한 의문이 생길수 있으나, 단절없는 CPS통신을 위해서는 IoMT나 CPS상황에서 디바이스가 6LoWPAN, MAC, IEEE 802.15.4와 같은 표준 통신 프로토콜을 사용하는 방법을 연구해애 한다. M2M통신 토픽은 프로토콜보다 복잡하나 네트워크 구조, 이질성, QoS, 에너지소비, 자원관리문제 조사와 이해를 통해 IoMT를 개선할수있다. oneM2M 표준화는 애플리케이션 수준에서 기존의 HTTP, CoAP, MQTT에 적용되는 API로 상호운영성 제공에 집증하나 일반적 대표디바이스와 접속메커니즘을 제공하는 일반적 미들웨어처럼 작동한다. 의료디바이스나 시스템의 상호운영성을 위한 프레임워크로 MD P&P나 MDCF(Medical Device Coordiantion Framework) 같은 공개 SW나 자바메시지서비스(JMS)를 활용할 수 있다. 그러나 특정 프로토콜 의존적이거나 확장성이 제한적인 특성들이 오히려 HW제약으로 다중프로토콜을 사용해야 하는 IoMT 상황에서 장애요소가 되기도 한다. 요약하면 디바이스와 시스템의 이질성에 기인하는 상호운영성 과제는 지속적으로 남아있다. 보행 파라미터 모니터링 디바이스에서 다중목적의 BSN까지 다양한 의료 모니터링 디바이스의 검토는 성능향상과 적용방법을 개선시킬수 있다. 그러나 아직 전체 스택에 대한 접근이나 동시적 접근 방법의 연구가 부족하여 보완 연구가 필요하다. IoMT를 통한 건강 애플리케이션을 확산시키기 위해서는 조사가 필요하며 모듈성과 상호운영성을 향상시키기 위한 서비스지향구조를 사용하는 연구방향성이 필요하다. IoMT를 구성하는 디바이스와 구조의 실험적 의료검증 연구도 필요하며, 기존의 심박측정의 정확도나 착용형 의료 디바이스의 물리적 활동 측정치의 정확도 조사가 필요하며, 조사가 인정받기 위해서는 IoMT 부품의 정확성에 대한 연구도 필요하다. IoMT 개발은 신뢰적 디바이스의 개발이 중점이었으나 현재는 통합 프레임워크에 집증 하고있는 가운데 서비스지향적 IoMT가 출현하기 시작했다. MCPS는 IoMT기반 디바이스와 시스템 의 신뢰성, 안전성, 보안성을 구현하기 위한 디자인 프로세스라고 할수 있다.
3. 결론
IoMT(의료사물인터넷)를 위한 MCPS(의료사이버물리시스템)인지 MCPS를 위한 IoMT인지에 대한 관점은 접근시각에 따라 다르다. IoT가 CPS안에서 인터넷기술을 활용하나 인터넷의 프로토콜과 원리는 CPS가 아닌 정보시스템과의 상호작용을 위해 디자인되었다는 관점에서 보면, IoT는 실시간으로 물리적 세계의 정보 교환과 협력을 위해 인터넷기술을 활용하는 CPS의 클래스[6]로 보는 시각도 무리는 아니다. 한정적 위치에서의 폐쇄적 특정시스템 형태인 MCPS를 기존시스템의 전형이라고 보면 IoMT는 미래지향적 의료시스템으로 볼수 있다. 디지털 의료와 스마트의료의 관점도 유사한 점이 있다. 중요한 것은 호칭이 아니라 내용이다. MCPS가 IoMT시스템의 디자인 프로세스라면 IoMT시스템의 신뢰성, 안전성, 보안성을 구현하기 위해 당연히 MCPS는 앞서 언급한 과제를 우선적으로 해결해야 한다. 첨단기술에 의한 가시적 시범사업이 실패하면 적정기술에 의한 혁신효과보다 성과가 적을수도 있다. 사업이나 산업성장 모두 기본이 중요하다. 향후 연구는 IoMT시스템이 서비스지향적 구조를 갖되 프레임워크 구현에 AI, 블록체인, 엣지컴퓨팅의 접목을 연계시켜야 한다. 아울러 타당성 검증단계는 반드시 경제성 혹은 수익성 검토가 전제되어야 한다. 특히 기업관련 독자들은 IoMT와 MCPS관련 국내외 사업화 진행에서 IoMT 규제와 관련, Health and Human Services (HHS) Office for Civil Rights (OCR), US Food and Drug Administration(FDA), Joint Commission International(JCI) 기관들의 기술자료 및 규제내용과 인가동향을 밀착하여 주시할 필요가 있다.
References
1. Arthur Gatouillat, Youakim Badr, Bertrand Massot, Ervin Sejdi？. Internet of Medical Things: A
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Things Journal, IEEE, 2018, 5 (5), pp.3810 - 3822. 2018. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-018362 36 Submitted on 8 Feb 2019
2. W.Wolf, Cyber-physical systems, Computer, vol. 42,no.3, pp.88–89, march 2009.
3. J. C. Jensen, D. H. Chang, E. Lee et al., A model-based design methodology for cyber-physical systems, 7th International on Wireless Communications and Mobile Computing Conference. IEEE, pp. 1666–1671. 2011
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5. The 4th IEEE/ACM Conference on Connected Health, Medical Cyber-Physical Systems (MCPS) in the Internet of Medical Things workshop 2019, SEpt. 27, 2019
6. Marten Lohstroh, Hokeun Kim, John C. Eidson, Chadlia Jerad, Beth Osyk, Edward A. Lee, On Enabling Technologies for the Internet of Important Things, IEEE Access, Volume 7, 2019