Ein technischer Überblick über Service-Oriented Device Connectivity (ISO/IEEE 11073 SDC)

Motivation

Interoperabilität ist ein großes Thema im Medizinbereich. Der Austausch von Informationen zwischen verschiedenen Systemen im Krankenhausumfeld ist immer noch eine Herausforderung. Die Nutzung von Standards wie HL7 FHIR helfen dabei informationen zwischen verschiedenen Systemen in Krankenhäusern oder verteilte medizinische Einrichtungen zu vereinfachen. Interessanterweise ist ein Bereich noch stiefmütterlich in Sachen Interoperabilität bedacht, der Point Of Care Bereich. Point Of Care meint hier den Ort,  wo die eigentliche Behandlung des Patienten stattfindet, also Einrichtungen wie Intensivstationen oder Operationssäle. Ein typischer Point Of Care ist heutzutage mit einer Vielzahl an verschiedenen medizinischen Geräten bestückt. Meist findet man auch Mischung von Geräten verschiedener Hersteller vor. Diese Vielzahl von Geräten reicht von von Pumpen, Sensoren, Schaltern bis hin zu Displays. Sie alle sollen die effiziente und effektive Behandlung des Patienten unterstützen. Allerdings wird ohne eine allumfassende Verknüpfung dieser Geräte viel Potential verschenkt.

Raum für Verbesserungen

So gibt es viele Anwendungsfälle, die durch eine umfassende Vernetzung der Medizingeräte optimiert werden können. Eine Problematik ist z.B. die Alarmmüdigkeit in der Intensivstation. Jedes in einer Intensivstation stehenden Gerät besitzt ein eigenes Alarmsystem. Eine Infusionspumpe löst einen lokalen Alarm auf dem Gerät aus, wenn z.B. bestimmte Parameter Schwellkorridore verlassen. Ein anderes Gerät misst die Blutsättigung und meldet Abweichungen ebenfalls mit einem Alarm am Gerät. So kann es schnell zu einer Vielzahl an aktiven Alarmen kommen. Um entsprechend auf jeden dieser Vielzahl von Alarmen zu reagieren, müssen Prioritäten bestimmt, Fehlarme identifiziert und letztendlich die Alarme bestätigt werden. Das führt durch den Informationsüberfluss zu besonderen Stresssituationen beim medizinischem Personal, welches meist sowieso unter Zeitdruck steht. Das führt dazu, dass Alarme länger als nötig aktiv sind und damit die allgemeine Sensibilität gegenüber Alarmmeldungen abnimmt. Aber auch der Patient wird in seinem Heilungsprozess durch die Lautstärke der aktiven Alarme beeinträchtigt. Ein Ziel ist es daher eine beruhigte Intensivstation (Silent ICU) anzustreben. Dräger, einer der Treiber hinter dem Interoperabitätsstandard für Medzizingeräte hat bereits erste Prototypen einer Silent ICU auf der Basis von SDC präsentiert (https://www.draeger.com/en_seeur/Hospital/Interoperability-Future-ICU).

Ein anderes wiederkehrendes Problem, die fehlende Zeitsynchronisierung über alle Medizingeräte hinweg. Jedes Gerät wird für sich konfiguriert und entsprechende Datum und Zeiteinstellungen vorgenommen. Das kann dazu führen, dass dies aus Zeitgründen unterlassen wird und keine synchronisierte Zeit auf den Geräten vorhanden ist. Werden dann Daten von den Geräten für eine spätere Auswertung exportiert können fehlende oder falsche Zeitinformationen zu nicht brauchbaren Datensätzen führen. Das Ziel sollte es sein eine standardisierte Art und Weise der Zeitsynchronisierung anzustreben.

Um diese vorhanden Lücke der Interoperabilität von Medizingeräten zu schliessen bieten die Hersteller jeweils eigene proprietäre Lösungen an. Diese isolierten herstellerabhängigen Eigenlösungen machen es jedoch schwierig die gesamte Kette an eingesetzten Medizingeräten sinnvoll und vollständig zu integrieren. Um dieses Problem allgemein und herstellerunabhängig zu lösen wurde ein neue Standardfamilie „Service-Oriented Device Connectivity“ (ISO/IEEE 11073 SDC) geboren. Wir werden einen technischen Blick auf diese Sammlung von Standards werfen, um dessen Funktionsweise und die eingesetzten technischen Konzepte zu verstehen.

Service-Oriented Device Connectivity (SDC)

SDC beschreibt eine Web-Service basierte Architektur, die eine sichere und dynamische Vernetzung von verteilten Medizinischen Geräten und IT Systemen ermöglicht. SDC fähige Geräte können bidirektional mit einander kommunizieren und Daten auf der Grundlage einer gemeinsamen Nomenklatur austauschen. Der Standard adressiert eine sichere Verbindung zwischen den Geräten auf der Grundlage moderne kryptologischen Prinzipien. Es werden Konzepte für Authentifizierung und Autorisierung definiert, die die Aussteuerung der Kommunikation, was kommuniziert wird und wer miteinander kommunizieren darf ermöglichen. Zu guter Letzt wird definiert, wie die dynamische Vernetzung und Gerätelokalisierung umgesetzt wird, um Geräte mittels Plug-And-Play dem Netzwerk zuzufügen.

Eine übliche Darstellung der Gesamtheit aller SDC Standards findet sich im Kathedralen Modell:

Wie die Architektur einer Kathedrale sind die verschiedenen Standards aufeinander aufgebaut. Das Fundament bilden die Kern-Standards, die aus 4 Teilen bestehen. Wir werden uns auf diese Kern-Standards fokussieren, da diese die fundamentale Funktionsweise von SDC gut beschreiben.

• IEEE 11073:10207: Domain Information and Service Model for Service-Oriented Point-of-Care Medical Device Communication (BICEPS)
• IEEE 11073:20702: Medical Devices Communication Profile for Web Services (MDPWS)
• IEEE 11073:20701: Point-of-care medical device communication — Service oriented medical device exchange architecture and protocol binding
• IEEE 11073:1010X Coding Systems

Gehen wir näher auf die einzelnen Standards ein.

IEEE 11073:10207: Domain Information and Service Model for Service-Oriented Point-of-Care Medical Device Communication (BICEPS)

Der beste Weg sich der SDC Standard-Familie zu nähern ist ein Blick in die IEEE 11073:10207: Domain Information and Service Model for Service-Oriented Point-of-Care Medical Device Communication (BICEPS). Das BICEPS Modell beschreibt auf mehreren Ebenen Medizingeräte als Teilnehmer eines SDC Systems, wobei auch reine Softwarelösungen Teilnehmer eines SDC Systems sein können.

BICEPS adressiert drei verschiedene Aspekte in Form von Modellen:

• Participant Model, eine Representation eines Medizingerätes innerhalb des SDC Netzwerkes. Es beschreibt welche Informationen ein Gerät zur Verfügung stellt und welche Interaktionen es auf diesen zulässt.
• Communication Model, beschreibt eine Menge von Services und Nachrichtentypen, welches ein Gerät bereitstellen muss, um letztendlich Informationen austauschen zu können und zusätzliche Interaktionen mit anderen Geräten durchzuführen (z.B. Lesen und auch Manipulation von Daten)
• Discovery Model, beschreibt ein Protokoll, wie die Bekanntmachung von neuen Geräten im Netzwerk geschieht und die generelle Kommunikation stattfinden soll.

Aus der technischen Sicht, gibt dieser Standard die Nomenklatur und Semantik für die Beschreibung von Medizingeräten vor. Für die Modelle und Nachrichtentypen gibt es definierte XML Schemata inklusive semantische Erklärungen. Diese XML Schemata sind frei verfügbar (https://standards.ieee.org/wp-content/uploads/import/download/11073-10207-2017_downloads.zip). Was fehlt ist eine detaillierte Beschreibung, z.B. wie die Services auf den Geräten letztendlich implementiert werden müssen und die Auffindung von Geräten technisch konkret passieren soll. Diese noch offenen Punkte werden in den folgenden Standards behandelt.

IEEE 11073:20702: Medical Devices Communication Profile for Web Services (MDPWS)

BICEPS definiert Nomenklatur und Semantik, aber nicht wie die Gerätelokalisierung, die Nachrichtenübertragung und Ereignisbehandlung konkret funktioniert. Dies wird von diesem Standard adressiert.

Um das Rad nicht neu zu erfinden baut dieser Standard auf bereits vorhanden und etablierte Standards auf und erweitert diesen in speziellen Punkten. Der hier vorgestellte neue Standard ist Medical Devices Communication Profile for Web Services (MDPWS). Er stützt sich komplett auf den bereits existierenden Standard Devices Profile for Web Services (DPWS) ab und erweitert diesen punktuell. Eine der Haupterweiterungen ist die Möglichkeit der Verarbeitung von Streams (hier Waveforms genannt).

Die Abstützung auf recht betagte Standards und Technologien wie DPWS und Webservices scheint im ersten Augenblick etwas aus der Zeit gefallen. Mit Betracht auf die sehr zeitintensive Entwicklung, Akzeptanzgewinnung und Marktdurchdringung von Standards im medizinischem Bereich ist die Abstützung auf langjährige, damit aber auch sehr etabliert und erprobten Technologien mehr als verständlich.

IEEE 11073:20701: Point-of-care medical device communication — Service oriented medical device exchange architecture and protocol binding

Dieser Standard stellt das Bindeglied zwischen den bereits vorgestellten Standards dar. Es werden noch offene Punkte aus den beiden vorangegangenen Standards aufgelöst und die Basis vervollständigt. Dabei werden die folgenden Punkte adressiert:

• Vervollständigung des Kommunikationsmodells von BICEPS durch die technische Konkretisierung in Form einer Web Service API (mit bereitgestelltem WSDL File) 
• Verpflichtung der Nutzung von IEEE 11073:1010X Coding Systems zur Adressierung konkreter medizinischer Metriken (Nutzung von standardisierten Codes für verschiedene medizinische KPIs und deren Einheiten, z.b. Blutsättigung oder Puls)
• Definition von Abläufen und Einschränkungen bei der Nutzung von Services, die von einem Gerät angeboten werden
• Definition von Nichtfunktionalen Qualitätsanforderungen in Sachen Sicherheit und Unbedenklichkeit (Security und Safety)

Zusammenfassung

Mit SDC wird es möglich aus den einzelnen Medizingeräten ein Gesamtsystem zu erstellen, das mehr als die Summe seiner Einzelteile darstellt und echten Mehrwert liefert. Durch die Vielzahl der verschiedenen Substandards ist der Einstieg in das Thema SDC nicht trivial. In diesem Blogpost haben wir einen ersten Überblick über die Kernstandards von SDC und deren Zusammenspiel gegeben. Tiefere Einblicke in die einzelnen Standards werden in späteren Blogpost folgen, um ein konkretes Verständnis über deren Funktionsweise aufzubauen.