Software Integration of Medical Devices An Important Issue in Modern Health Technology

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1 Software Integration of Medical Devices An Important Issue in Modern Health Technology DIRK TIMMERMANN FRANK GOLATOWSKI INSTITUTE OF APPLIED MICROELECTRONICS UND COMPUTER ENGINEERING UNIVERSITY OF ROSTOCK

2 Topics Motivation Why SOA Web Services DPWS Projects

3 Networked Devices (Harbor Research)

4 Operating Room = dozens of networked devices (Olympus)

5 Current Situation in Medical Automation Plenty of devices Mostly autonomous Vendor specific, incompatible, proprietary physical interfaces data interchange formats Missing system integration Solution Step 1: Use Standards, i.e. IP as the lingua franca Step 2: Find Interoperability Standard, independent from (DGBMT)» Platform, Comm. Interface, Operating System, Application Domain

6 Standards for networked devices The nice thing about standards is..you have so many to choose from * More standards than devices? (*) A. Tanenbaum

7 SOA Web Services DPWS

8 Service Oriented Architecture (SOA) Dynamic Advertising, Discovery, and Use of Services in a Network Plug and Play Service Directory 1. Advertise Network Service Requester Service Provider

9 Web Services Realization of SOA in Enterprises ebay, Google, Amazon, IBM. based on TCP/IP XML (Extensible Markup Language) use XML messages SOAP for messaging WSDL (Web Services Description Language) to describe services BUT communication overhead not suitable for smaller devices

10 Web Services Building blocks of protocols for a given task Profiles: Specific combinations of Web Services

11 Devices Profile for Web Services Web Services for Devices! DPWS, a Profile and Open Source Standard for distributed embedded systems, based on Web Services Defines optimizations and constraints which allow porting Web Services even to resource limited devices - originally UPnP V2.0 - OASIS standard since 07/ fundamental for huge European SW Integration Projects - Included in MS Windows!!

12 Open Source Stacks & Tools based on DPWS

13 Cooperation based on DPWS

14 DPWS driven device Application WS-MetadataExchange/ WS-Transfer WS-Discovery WS-Eventing WS-Policy, WS-Addressing, Security SOAP-over-UDP, SOAP, WSDL, XML Schema UDP HTTP TCP IPv4 / IPv6 / IP Multicast Physical Layer (802.x., arbitrary)

15 Projects and Tools

16 OSAmi Open Source Ambient Intelligence Commons European Interoperability Project, 34 partners ehealth Demonstrator OSAMI CDA XDS XPHR OSAMI DPWS/ WS4D

17 uservice Service Creation for Mobile Systems European interoperability project, 17 partners Easily create services for PDAs and integrate sensors

18 PipesBox for Service Composition Browser based Easy No install Simple creation of workflows Online testing

19 Take Home Messages Do not reinvent the wheel Proven Standards (IP, SOA, Web Services) and HW/OS/Comm/App/Vendor Independence pay off Device Profile for Web Services Plug and Play, Open Source Standard, Windows compliant Free Software Stack for Linux/MacOS/Android/Embedded Systems Scalable from miniaturized sensors up to enterprise servers Extensible wrt Realtime / Security / Quality of Service Graphical Tools

20 Thank you for your attention

21 Backup

22

23 Zusammenfassung

24 Size Trends Past: 1 Computer per Room Future: Many Computers per Room Number Past: 1 Computer for many Now: 1 Computer for everyone Future: Many Computers for everyone Communication Past: Human to Human ( ) Now: Human to Machine (Web) Future: Machine to Machine (Embedded Internet) Vision: All objects of the real world get smart und communicate with each other

25 and their impact (Harbor Research)

26 Networked Devices 2010: 5 Billion 2015: 15 Billion (Intel forecast) 2020: 20 Billion (Ericsson forecast)

27 Interoperabilität Das Fehlen von offenen, branchenübergreifenden Interoperabilitätsstandards ist innovationsblockierend Nationale Roadmap Embedded Systems 8.Dez anlässlich des 4. IT-Gipfels der Bundesregierung

28 Step 1: global Idiom Internet Protocol (IP) 2010: 5 Milliarden vernetzte Geräte 2015: 15 Milliarden (Intel) 2020: 20 Milliarden (Ericsson) Heute: 50 elektronische Geräte in durchschnittlichem Haushalt genutzt sollen in den nächsten Jahren über eine zentrale Steuereinheit bedient werden Sie werden über einen Standard kommunizieren und der heißt IP Schwaderer, Intel,

29 Step 2: Interoperability Standard Haus, Büro Auto Industrie, Fertigung Energie, Telekommunikation Software PROFIBUS LonWorks EIB Jini UPnP HAVi CAN OSGi DPWS bisher die einzigen Technologien, die unabhängig sind von: - Plattform - Betriebssystem und Programmiersprache - Kommunikationsmedium

30 Ansatz 2: Übergreifender Standard Haus, Büro Auto Industrie, Fertigung PROFIBUS LonWorks EIB HAVi CAN Energie, Telekommunikation Software Jini OSGi??? UPnP??? DPWS Gesucht sind Technologien, die unabhängig sind von: - Plattform - Betriebssystem und Programmiersprache - Kommunikationsmedium

31 Dienst / Service Funktionalität wird als Dienst bzw. Service angeboten Dienste werden von Anwendungen oder anderen Diensten genutzt Unabhängig von Hardware, Programmiersprache, Betriebssystem

32 DPWS = Optimierung von Web Services für Geräte Minimale Konfiguration/Administration WS Discovery ( ad hoc Vernetzung) Ereignisbasierte Kommunikation (für low power) WS Eventing Sicherheit SSL/TLS Overhead (WS4D Erweiterung) Efficient XML (Transparente Komprimierung / Binäre Codierung von XML )

33 DPWS Initiativen und Stacks Web Services for Devices Initiative (WS4D) - - Partner: Uni Rostock, Uni Dortmund (unterstützt von Materna GmbH, Schneider Electric Frankreich) - 3 DPWS Stacks: C-Stack (gsoap), JavaME-Stack, Java-Apache- Axis2-Stack - Erweiterungen: BPEL4DPWS, Real-time-DPWS, Life Cycle Management SOA for Devices (SOA4D) - Initiative von Schneider Electric im Rahmen der Projekte ITEA SODA und FP6 SOCRADES Interoperabilität - Kontakt zwischen Schneider Electric & DPWS-Standardisierung (Microsoft) Jährliche Treffen zwischen Uni Rostock, Uni Dortmund, Materna und 33 Schneider Electric zu Interoperabilitätsthemen

34 Skalierbare DPWS Lösungen ( Stacks ) WS4D-AXIS2 WS4D-gSOAP µdpws Java, Enterprise Betriebssystem Hochperformante Server / PCs Footprint 10 MB C Embedded Betriebssystem Netzwerk, WLAN, LAN 32 Bit µcontroller Footprint 300kB C Nanokernel Betriebssystem Netzwerk: 80x.y 8 Bit µcontroller Footprint 11kB

35 Skalierbare DPWS Lösungen Footprint WS4D udpws WS4D JMEDS WS4D gsoap WS4D Axis2 WS4D udpws WS4D JMED / WS4D gsoap WS4D Axis2 Sensor Network Embedded Systems Enterprise Systems Complexity of hosted services

36 Clock frequ. Flash RAM Requirements WS4DgSOAP Embedded Linux 100 MHz 8 MB 32MB udpws / Contiki 8 MHz 46 kb 10 kb FoxBoard, LX832, ETRAX Embedded Linux: 1 MB WS4D: 300 KB Overall Footprint: 1,3 MB TelosB, MSP 430 Contiki: 30 KB udpws: 11 kb Overall Footprint: 46kB

37 Open Source Standard No licensing fees Standard Organization OASIS WS DD Web Services Discovery and Web Services Devices Profile Active members Microsoft, IBM, Canon, Lexmark, Ricoh, University of Rostock, University of Dortmund

38 WS DD Standardisierung von Web Services Dynamic Discovery (WS Discovery) Version 1.1 Devices Profile for Web Services Version 1.1 SOAP over UDP Version 1.1 Aktive Mitglieder Microsoft, IBM, Canon, Lexmark, Ricoh, Uni Rostock, Uni Dortmund

39 DPWS in MS Windows Vista & 7 Source: Dave Roth, Web Services on Devices, WinHec

40 Unterstützung beliebiger Medien Beispiel 6LoWPAN (neuer IETF Internet Standard) IPv6 for Low power Wireless Personal Area Networks durch Kompression

41 Keine Gateways Durchgehende Protokolle mit IP und DPWS Keine Gateways zum Konvertieren zwischen den Ebenen

42 Was wird benötigt? Integration beliebiger Technologien DPWS Einfache Erstellung von Kompositionen (Funktionen realisieren durch Kombination der Geräte) Ohne Programmierkenntnisse Einfache Nutzbarkeit für Endnutzer/Techniker PipesBox

43 Dienst Orchestrierung Varianten BPEL Beschreibungssprache Uni Rostock: weiterentwickelt zu BPEL4D WS4D Pipes Uni Rostock: Anwendung mit intuitiver GUI WS4D Pipes (Details verfügbar) Werkzeug zur Service Komposition (basiert auf OSGi) Alternative zu BPEL Für Geräte MashUp Integrationskonzept nicht auf Web Services / DPWS beschränkt um beliebige Technologien erweiterbar Easy Service Creation Rollenmodell zur einfachen Erstellung von Diensten für Privatanwender

44 WS4D PipesBox

45 SIRENA The Beginning LOMS Easy Service Creation OSAMI ehealth uservice Mobile Systeme Projekte Gebäudeautomation Intelligente Dienste in der GLT, WoO AAL Flugzeug AAL: Ambient Assisted Living Automobil Embedded Services Skalierbare Embedded Services Safety Critical Real Time Embedded Services Modulare Architektur Standard Schnittstellen

46 SIRENA The Beginning LOMS Easy Service Creation OSAMI ehealth uservice Mobile Systems Roadmap Building Automation Intelligente Dienste in der GLT, WoO AAL Aerospace AAL: Ambient Assisted Living Automobile Embedded Services Scalable Embedded Services Safety Critical Real Time Embedded Services Modular Architecture Standard Interfaces

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