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문제 정의
- 본 논문에서는 ECG 데이터를 의료정보시스템과의 상호 호환성을 유지할 수 있도록 기존의 심전도 계측기기로부터 수집된 바이너리 ECG 포맷을 북미지역의 사실상 표준(de facto standard) HL7 aECG(Health Level 7 annotated ECG)로 변환하는 시스템을 제안한다. HL7 버전3 메시징 표준에 기반을 둔 HL7 aECG는 주석 첨부파형 (annotated waveform)을 표현하기 위한 XML기반의 파일포맷이다.
- 본 논문에서는 ECG 데이터를 의료정보시스템과의 상호 호환성을 지원할 수 있도록 기존의 심전도 계측기기로부터 수집된 바이너리 ECG 데이터를 북미지역 표준이면서 국제 표준(ISO)으로 부상하고 있는 HL7 aECG로 변환하는 시스템을 개발하였다. 그리고 차후 운용 시에 유지보수 비용을 절감시키기 위해 본 연구에서 제안한 BED 언어로 작성된 XML기반의 기술문서(description file)를 활용하여 변환하는 메커니즘을 사용하였다.
제안 방법
- BED 시스템의 성능을 개선하기 위하여 QuestSoftware사 의 자바 프로파일링 도구인 JProbd을 이용하여 BED변환 방식 의 실행시 병목현상을 분석하였다. 분석 결과 MIT-BIH 파일의 심전도 데이터를 비트 단위로 읽어서 자바의 기본 데이터 타입인 int로 변환하는 integerProcessor 메소드가 전체 변환시간의 89%를 점유하여 integerProcessor 메소드를 성능개선 대상으로 선정하였다.
- MIT-BIH 부정맥 데이터베이스를 직접 HL7 aECG로 변환하는 방식(이하 직접변환 방식)과 본 논문에서 제안한 BED 메커니즘을 이용한 변환 방식(이하 BED변환 빙.식)의 성능을 비교하였다. 본 논문의 실험평가는 다음과 같다.
- 구현환경은 일반 PC급인 AMD Sempron 2400+, 200GB 7200RPM의 HDD, 메모리 PC3200 1GB의 시스템 환경에서 마이크로소프트 윈도우즈 XP 프로페셔널 (서비스팩 2) 운영체제를 사용하여 개발하였다. 개발언어는 Java 1.
- HL7 aECG는 심전도 계측환경에 대한 다양한 메타정보를 포함하도록 설계되었지만, 대부분의 바이너리 ECG 파일포 맷은 소수의 메타정보를 포함하며 메타정보의 종류도 서로 다르게 설계되어 있다. 그래서 본 연구의 변환 시스템에서 생성되는 HL7 aECG 파일은 계측날짜 및 시간, 환자ID를 포함하여 총 10개의 메타정보를 포함하도록 설계하였으며, 메타정보의 세부사항은 그림 3과 같다.
- 본 논문에서는 ECG 데이터를 의료정보시스템과의 상호 호환성을 지원할 수 있도록 기존의 심전도 계측기기로부터 수집된 바이너리 ECG 데이터를 북미지역 표준이면서 국제 표준(ISO)으로 부상하고 있는 HL7 aECG로 변환하는 시스템을 개발하였다. 그리고 차후 운용 시에 유지보수 비용을 절감시키기 위해 본 연구에서 제안한 BED 언어로 작성된 XML기반의 기술문서(description file)를 활용하여 변환하는 메커니즘을 사용하였다. 이 방식은 추후 심전도기기의 업그레이드로 인한 바이너리 ECG 파일구조가 변경되더라도 텍스트 편집기를 사용하여 BED 문서만을 간단히 수정하면 업그레이드된 새로운 ECG 파일을 HL7 aECG로 변환할 수 있다는 장점을 가진다.
- 즉, 여러 버전의 바이너리 ECG 포맷을 동시에 HL7 aECG 포맷으로 변화할 수 있도록 설계하였다. 또 한 BED 문서의 추가·수정·삭제가 용이하도록 BED 문서를 플러그앤 플레이 방식으로 인식하게 설계하였다.
- 특히 XSL 표준기능의 사용하여 HL7 aECG는 상당히 유연하게 정보를 제공할 수 있게 되었다. 또한 주석 정보는 표준 어휘 (vocabulary)를 사용하여 주석정보의 상호호환성을 증대시켰다.
- 본 연구에서 사용한 샘플 ECG 파일은 샘플 당 12 bit를 사용하므로 비트 단위의 Integer 타입을 이용하여 분리된 비트들을 정수화하였다. 그림 6은 BED 인터프린터가 BED 문서와 바이너리 ECG 파일을 처리하는 과정을 나타낸 것 이다.
- 분석 결과 MIT-BIH 파일의 심전도 데이터를 비트 단위로 읽어서 자바의 기본 데이터 타입인 int로 변환하는 integerProcessor 메소드가 전체 변환시간의 89%를 점유하여 integerProcessor 메소드를 성능개선 대상으로 선정하였다. 수행성능을 높이기 위해 자바의 String 객체 대신 비트연산자를 이용하여 심전도 데이터를 int로 변환하였다. 메소드 개선 결과 기존 1, 950KB의 ECG 변환시 24, 000ms의 소요시간을 3, 840ms로 줄일 수 있었다.
- BED 문서는 하나의 ECG 파일포맷에 대해 한 개가 존재하며, 본 변환 시스템에서는 여러 개의 BED 문서를 포함할 수 있다. 즉, 여러 버전의 바이너리 ECG 포맷을 동시에 HL7 aECG 포맷으로 변화할 수 있도록 설계하였다. 또 한 BED 문서의 추가·수정·삭제가 용이하도록 BED 문서를 플러그앤 플레이 방식으로 인식하게 설계하였다.
대상 데이터
- x 버전을, 통합개발도구는 이클립스를 사용하였다. 그리고 BED 문서 해석부분에 사용된 XML API로는 JDOM191을, 샘플 바이너 리 ECG 파일은 MIT-BIH 부정맥 데이터베이스[10]를 활용하였다. 샘플 ECG 파일은 샘플링횟수를 360으로 하여 30분 동안 기록한 두 채널의 ECG 데이터이며, 한 샘플 당 12bit 를 사용한다.
- BED 시스템의 성능을 개선하기 위하여 QuestSoftware사 의 자바 프로파일링 도구인 JProbd을 이용하여 BED변환 방식 의 실행시 병목현상을 분석하였다. 분석 결과 MIT-BIH 파일의 심전도 데이터를 비트 단위로 읽어서 자바의 기본 데이터 타입인 int로 변환하는 integerProcessor 메소드가 전체 변환시간의 89%를 점유하여 integerProcessor 메소드를 성능개선 대상으로 선정하였다. 수행성능을 높이기 위해 자바의 String 객체 대신 비트연산자를 이용하여 심전도 데이터를 int로 변환하였다.
- 직접변환 방식과 BED변환 방식모두 MIT-BIH 부정맥 데이터 베이스의 48개의 레코드 중 100-109 까지 10개의 레코드를 한 번씩 변환하여 10개의 결과값을 구하고, 결과값 중 최고와 최저의 값을 제외한 나머지 8개 값의 평균값을 최종결과 값으로 하였다. 실험 샘플 데이터의 크기는 5분, 10분, 15분, 20분, 25분, 30분 동안 연속적으로 계측된 데이터(2 채널 360Hz으] 바이너리 ECG)를 사용하였다. 실험결과는 그림 8과 같이 BED변환 방식이 직접변환 방식보다 4.
데이터처리
- 본 논문의 실험평가는 다음과 같다. 직접변환 방식과 BED변환 방식모두 MIT-BIH 부정맥 데이터 베이스의 48개의 레코드 중 100-109 까지 10개의 레코드를 한 번씩 변환하여 10개의 결과값을 구하고, 결과값 중 최고와 최저의 값을 제외한 나머지 8개 값의 평균값을 최종결과 값으로 하였다. 실험 샘플 데이터의 크기는 5분, 10분, 15분, 20분, 25분, 30분 동안 연속적으로 계측된 데이터(2 채널 360Hz으] 바이너리 ECG)를 사용하였다.
이론/모형
- HL7 버전3 메시징 표준에 기반을 둔 HL7 aECG는 주석 첨부파형 (annotated waveform)을 표현하기 위한 XML기반의 파일포맷이다. 변환 방법은 대상이 되는 바이너리 ECG 파일구조를 미리 기술해 논 BED(Binary ECG Description) 파일을 생성하여 사용하였다. 이 방식은 추후 계측기기(ECG기기)의 업그레이드로 인한 ECG 파일구조가 변경되더라도 텍스트 편집기를 사용하여 BED 문서만을 간단히 수정하면 업그레이드된 새로운 ECG 파일을 HL7 aECG로 변환할 수 있다는 장점을 가진다.
- 이것은 바이너리 데이터를 문자 데이터로 변환하면 나타나는 일반적인 현상이다. 변환된 HL7 aECG의 유효성 검증을 위하여 HL7 aECG의 XML Schema 를 이용하였고 검증 도구로는 Altova사의 XMLSpyS- 이용하였다. 그림 7은 XML Schema를 이용하여 HL7 aECG의 유효성을 검증한 그림이다.
성능/효과
- HL7 aECG는 파형정보 뿐만 아니라 환자정보, 검사정보, 검사장소, 검사책임자, 검사기기 등의 수많은 정보를 포함할 수 있으나, 본 연구에서는 생성하는 HL7 aECG는 계측일시, 환자정보, 파형정보의 세가지 필수요소와 검사장소 등의 다섯 가지 선택요소만을 포함하며, BED 언어는 이러한 목적에 적합하게 설계되었으며 확장이 가능하다.
- 1배 정도의 성능으로 개선되어 허용할 수 있는 수준으로 나타났다. 또한 직접변환 방식과 마찬가지로 ECG 파일의 크기가 증가해도 안정된 성능을 나타내었다. 그림 9는 최적화된 BED변환 방식의 성능을 직접변 환 방식과 BED변환 방식과 함께 비교한 것이다.
- 이 방식은 추후 심전도기기의 업그레이드로 인한 바이너리 ECG 파일구조가 변경되더라도 텍스트 편집기를 사용하여 BED 문서만을 간단히 수정하면 업그레이드된 새로운 ECG 파일을 HL7 aECG로 변환할 수 있다는 장점을 가진다. 또한 직접변환 방식을 사용하지 않 아서 나타나는 성능저하 현상도 코드 최적화를 통해 크게 개선하여 허용할 수 있는 수준으로 성능을 향상시켰다. 이변환 시스템은 확장이 용이하여 여러 가지 포맷의 바이너리 ECG 데이터에 쉽게 적용할 수 있으며, 유지보수가 간편하여 이기종 의료정보시스템 간에 ECG 데이터 교환을 위한 게이트웨이로서 활용될 수 있을 것이다.
- 수행성능을 높이기 위해 자바의 String 객체 대신 비트연산자를 이용하여 심전도 데이터를 int로 변환하였다. 메소드 개선 결과 기존 1, 950KB의 ECG 변환시 24, 000ms의 소요시간을 3, 840ms로 줄일 수 있었다. 변환시간은 바이너리 파일의 크기에 따라 약간의 차이는 보이지만 대략 1.
- 메소드 개선 결과 기존 1, 950KB의 ECG 변환시 24, 000ms의 소요시간을 3, 840ms로 줄일 수 있었다. 변환시간은 바이너리 파일의 크기에 따라 약간의 차이는 보이지만 대략 1.7-2.1배 정도의 성능으로 개선되어 허용할 수 있는 수준으로 나타났다. 또한 직접변환 방식과 마찬가지로 ECG 파일의 크기가 증가해도 안정된 성능을 나타내었다.
- 본 연구에서 구현한 변환 시스템을 이용하여 MIT-BIH 부정맥 데이터베이스 레코드 100 파일 1, 950KB를 HL7 aECG로 변환한 결과 변환된 HL7 aECG의 파일크기는 5, 718 K①로 바이너리 데이터가 문자 데이터로 변환되면서 약 3배 증가하였다. 이것은 바이너리 데이터를 문자 데이터로 변환하면 나타나는 일반적인 현상이다.
- 실험 샘플 데이터의 크기는 5분, 10분, 15분, 20분, 25분, 30분 동안 연속적으로 계측된 데이터(2 채널 360Hz으] 바이너리 ECG)를 사용하였다. 실험결과는 그림 8과 같이 BED변환 방식이 직접변환 방식보다 4.5~6.5배 정도의 성능이 떨어지는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 실행시점에서 먼저 BED 문서를 해석하여 바이너리 ECG 파일을 변환하기 때문이다.
후속연구
- 그리고 구현한 변환 시스템은 여러 개의 BED 문서를 포함할 수 있기 때문에 동시에 여러 버전의 바이너리 ECG 파일을 소스코드의 재작성없이 HL7 aECG로 일관되게 변환시킬 수 있다. 드러므로 본 논문에서 구현한 BED 문서 기 반의 ECG 변환 시스템은 변환 대상의 ECG 파일구조에 대하여 매우 유연하게 대처할 수 있으며, ECG 데이터의 활용도를 증가시키고 의료정보시스템 간의 정보교환 비용을 절감 시켜줄 것으로 기대된다.
- 또한 직접변환 방식을 사용하지 않 아서 나타나는 성능저하 현상도 코드 최적화를 통해 크게 개선하여 허용할 수 있는 수준으로 성능을 향상시켰다. 이변환 시스템은 확장이 용이하여 여러 가지 포맷의 바이너리 ECG 데이터에 쉽게 적용할 수 있으며, 유지보수가 간편하여 이기종 의료정보시스템 간에 ECG 데이터 교환을 위한 게이트웨이로서 활용될 수 있을 것이다. 향후에는 BED 언어를 기술언어 (description file)로서의 범용성을 보다 더 확장하고, 변환방식의 성능을 한층 더 개선하여 직접변환 방식에 근접한 수준까지 확보할 수 있는 연구를 진행할 예정이다.
- 출력모듈은 변환모듈에서 생성한 HL7 aECG 인스턴스를 JDOM의 XMLOutputter 클래스를 이용하여 파일로 저장하는 역할을 수행한다. 파일 시스템으로의 출력모듈뿐만 아니라 타 시스템으로의 출력모듈을 개발하면 보다 쉽게 ECG 데이터의 정보교환을 이룰 수 있을 것이다.
- 이변환 시스템은 확장이 용이하여 여러 가지 포맷의 바이너리 ECG 데이터에 쉽게 적용할 수 있으며, 유지보수가 간편하여 이기종 의료정보시스템 간에 ECG 데이터 교환을 위한 게이트웨이로서 활용될 수 있을 것이다. 향후에는 BED 언어를 기술언어 (description file)로서의 범용성을 보다 더 확장하고, 변환방식의 성능을 한층 더 개선하여 직접변환 방식에 근접한 수준까지 확보할 수 있는 연구를 진행할 예정이다.
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