[MED-003] WIA 생체신호 스트리밍 표준 전자책 | 제4장 (총 8장)

[MED-003] 제4장: Phase 1 - 신호 형식 표준

"데이터의 언어를 통일하면 모든 기기가 대화할 수 있다"

Phase 1은 WIA-MED-003의 기초로, 모든 생체신호 데이터의 표준 형식을 정의합니다.

4.1 기본 신호 구조

4.1.1 공통 메타데이터

모든 WIA-MED-003 신호는 다음 공통 필드를 포함해야 합니다:

{
  "standard": "WIA-MED-003",
  "version": "1.0.0",
  "signalType": "...",          // ECG, SPO2, BP, HRV 등
  "deviceId": "...",             // 기기 고유 식별자
  "deviceManufacturer": "...",   // 제조사 (선택)
  "deviceModel": "...",          // 모델명 (선택)
  "timestamp": "...",            // ISO 8601 형식
  "patientId": "...",            // 환자 ID (선택, 익명화)
  "sessionId": "...",            // 세션 ID (선택)
  "data": { ... }                // 신호별 데이터
}

4.1.2 타임스탬프 형식

모든 시간 정보는 ISO 8601 형식을 사용합니다:

형식: YYYY-MM-DDTHH:mm:ss.sssZ

예시:
- UTC 시간: "2025-01-15T10:30:00.000Z"
- 밀리초 정밀도: "2025-01-15T10:30:00.123Z"
- 타임존 포함: "2025-01-15T10:30:00.000+09:00" (KST)

권장사항:
✅ 항상 UTC 사용
✅ 밀리초 정밀도 유지
✅ 'Z' 접미사로 UTC 명시

4.2 ECG/EKG 신호 형식

4.2.1 ECG 데이터 구조

{
  "standard": "WIA-MED-003",
  "version": "1.0.0",
  "signalType": "ECG",
  "deviceId": "ECG-DEVICE-12345",
  "timestamp": "2025-01-15T10:30:00.000Z",
  "sampling": {
    "rate": 512,                 // Hz
    "duration": 10,              // 초
    "totalSamples": 5120
  },
  "leads": [
    {
      "name": "Lead I",
      "data": [0.05, 0.12, 0.18, ...],
      "unit": "mV",
      "baseline": 0.0,
      "gain": 1000
    },
    {
      "name": "Lead II",
      "data": [...],
      "unit": "mV"
    },
    {
      "name": "Lead III",
      "data": [...],
      "unit": "mV"
    }
  ],
  "analysis": {
    "heartRate": 72,             // bpm
    "rhythm": "Sinus Rhythm",
    "qrsWidth": 0.08,            // 초
    "qtInterval": 0.40,          // 초
    "prInterval": 0.16,          // 초
    "abnormalities": []
  },
  "quality": {
    "signalQuality": "good",     // poor, fair, good, excellent
    "noiseLevel": 0.02,          // mV
    "baselineWander": false,
    "muscleArtifact": false
  }
}

4.2.2 ECG 리드 시스템

4.2.3 ECG 이상 분류

표준 이상 코드:

{
  "abnormalities": [
    {
      "type": "arrhythmia",
      "subtype": "atrial_fibrillation",
      "severity": "moderate",
      "confidence": 0.95,
      "timestamp": "2025-01-15T10:30:05.230Z"
    },
    {
      "type": "morphology",
      "subtype": "st_elevation",
      "severity": "high",
      "confidence": 0.87,
      "leads": ["V1", "V2", "V3"]
    }
  ]
}

이상 유형:
- arrhythmia: 부정맥 (AF, VT, VF, PVC 등)
- morphology: 파형 이상 (ST 상승/하강, Q파 등)
- conduction: 전도 장애 (AV block, BBB 등)
- rate: 심박수 이상 (빈맥, 서맥)

4.3 SpO2 신호 형식

4.3.1 SpO2 데이터 구조

{
  "standard": "WIA-MED-003",
  "version": "1.0.0",
  "signalType": "SPO2",
  "deviceId": "SPO2-DEVICE-67890",
  "timestamp": "2025-01-15T10:30:00.000Z",
  "measurement": {
    "spo2": 98,                  // %
    "pulseRate": 72,             // bpm
    "perfusionIndex": 5.2,       // %
    "confidence": 0.98
  },
  "waveform": {
    "ppg": {
      "red": [125, 128, 132, ...],
      "infrared": [142, 145, 148, ...],
      "samplingRate": 125,        // Hz
      "unit": "arbitrary units"
    }
  },
  "quality": {
    "signalStrength": "strong",   // weak, moderate, strong
    "motionArtifact": false,
    "lowPerfusion": false,
    "probeOff": false
  },
  "alerts": [
    {
      "type": "low_spo2",
      "value": 92,
      "threshold": 95,
      "timestamp": "2025-01-15T10:29:45.000Z"
    }
  ]
}

4.3.2 SpO2 경고 임계값

4.4 혈압 신호 형식

4.4.1 혈압 데이터 구조

{
  "standard": "WIA-MED-003",
  "version": "1.0.0",
  "signalType": "BLOOD_PRESSURE",
  "deviceId": "BP-DEVICE-11111",
  "timestamp": "2025-01-15T10:30:00.000Z",
  "measurement": {
    "systolic": 120,             // mmHg
    "diastolic": 80,             // mmHg
    "mean": 93,                  // MAP (평균 동맥압)
    "pulseRate": 72,             // bpm
    "unit": "mmHg"
  },
  "measurementMethod": {
    "type": "oscillometric",     // auscultatory, oscillometric, continuous
    "cuffSize": "adult",         // child, adult, large_adult
    "armLocation": "left",       // left, right
    "bodyPosition": "seated"     // seated, lying, standing
  },
  "quality": {
    "reliability": "high",       // low, medium, high
    "irregularHeartbeat": false,
    "movementDetected": false,
    "cuffFitProper": true
  },
  "classification": {
    "category": "normal",        // normal, elevated, hypertension_1, hypertension_2, crisis
    "needsAttention": false
  }
}

4.4.2 연속 혈압 모니터링

연속 혈압 측정 (웨어러블 기기):

{
  "signalType": "BLOOD_PRESSURE_CONTINUOUS",
  "sampling": {
    "rate": 1,                   // Hz (1초마다)
    "interval": "1s"
  },
  "stream": [
    {
      "timestamp": "2025-01-15T10:30:00.000Z",
      "systolic": 120,
      "diastolic": 80,
      "confidence": 0.85
    },
    {
      "timestamp": "2025-01-15T10:30:01.000Z",
      "systolic": 121,
      "diastolic": 81,
      "confidence": 0.87
    },
    // ... 연속 데이터
  ],
  "calibration": {
    "lastCalibrated": "2025-01-15T08:00:00.000Z",
    "method": "cuff_reference",
    "nextCalibrationDue": "2025-01-15T14:00:00.000Z"
  }
}

4.5 심박변이도 (HRV) 신호 형식

4.5.1 HRV 데이터 구조

{
  "standard": "WIA-MED-003",
  "version": "1.0.0",
  "signalType": "HRV",
  "deviceId": "HRV-DEVICE-22222",
  "timestamp": "2025-01-15T10:30:00.000Z",
  "measurement": {
    "duration": 300,             // 초 (5분 측정 권장)
    "rrIntervals": [800, 820, 810, 825, ...],  // ms
    "totalBeats": 360
  },
  "timeDomain": {
    "meanRR": 815,               // ms
    "sdnn": 50,                  // ms
    "rmssd": 42,                 // ms
    "pnn50": 15.2,               // %
    "sdsd": 35                   // ms
  },
  "frequencyDomain": {
    "vlf": 200,                  // ms² (Very Low Frequency: 0-0.04 Hz)
    "lf": 450,                   // ms² (Low Frequency: 0.04-0.15 Hz)
    "hf": 350,                   // ms² (High Frequency: 0.15-0.4 Hz)
    "lfHfRatio": 1.29,
    "totalPower": 1000           // ms²
  },
  "nonLinear": {
    "sd1": 30,                   // Poincaré plot
    "sd2": 70,
    "sampEn": 1.2                // Sample Entropy
  },
  "interpretation": {
    "stressLevel": "low",        // low, moderate, high
    "autonomicBalance": "balanced",
    "recovery": "good"
  }
}

4.5.2 HRV 지표 해석

4.6 체온 신호 형식

4.6.1 체온 데이터 구조

{
  "standard": "WIA-MED-003",
  "version": "1.0.0",
  "signalType": "TEMPERATURE",
  "deviceId": "TEMP-DEVICE-33333",
  "timestamp": "2025-01-15T10:30:00.000Z",
  "measurement": {
    "value": 36.5,               // °C
    "unit": "celsius",           // celsius, fahrenheit
    "fahrenheit": 97.7           // 자동 변환 (선택)
  },
  "measurementSite": {
    "location": "oral",          // oral, rectal, axillary, tympanic, forehead, wrist
    "sensorType": "infrared"     // contact, infrared, wearable
  },
  "trend": {
    "previous": 36.3,
    "change": 0.2,
    "direction": "increasing"    // increasing, decreasing, stable
  },
  "alerts": [
    {
      "type": "fever",
      "threshold": 37.5,
      "current": 38.2,
      "severity": "moderate"
    }
  ]
}

4.6.2 연속 체온 모니터링 (웨어러블)

{
  "signalType": "TEMPERATURE_CONTINUOUS",
  "sampling": {
    "rate": 0.0167,              // Hz (1분마다)
    "interval": "60s"
  },
  "stream": [
    {
      "timestamp": "2025-01-15T10:00:00.000Z",
      "value": 36.4,
      "skinTemperature": 33.2,
      "ambient": 22.0
    },
    {
      "timestamp": "2025-01-15T10:01:00.000Z",
      "value": 36.5,
      "skinTemperature": 33.3,
      "ambient": 22.1
    },
    // ... 연속 데이터
  ],
  "circadianRhythm": {
    "peakTime": "17:00",
    "lowTime": "04:00",
    "amplitude": 0.5             // °C
  }
}

4.7 호흡수 신호 형식

4.7.1 호흡수 데이터 구조

{
  "standard": "WIA-MED-003",
  "version": "1.0.0",
  "signalType": "RESPIRATORY_RATE",
  "deviceId": "RESP-DEVICE-44444",
  "timestamp": "2025-01-15T10:30:00.000Z",
  "measurement": {
    "rate": 16,                  // 회/분
    "regularity": "regular",     // regular, irregular
    "pattern": "normal"          // normal, shallow, deep, labored
  },
  "waveform": {
    "data": [...],               // 호흡 파형
    "samplingRate": 25,          // Hz
    "inspiratoryTime": 1.8,      // 초
    "expiratoryTime": 2.2,       // 초
    "ieRatio": 0.82              // I:E 비율
  },
  "volume": {
    "tidalVolume": 500,          // mL (선택)
    "minuteVentilation": 8000    // mL/min (선택)
  }
}

4.8 JSON Schema 정의

4.8.1 기본 스키마

{
  "$schema": "http://json-schema.org/draft-07/schema#",
  "title": "WIA-MED-003 Base Signal",
  "type": "object",
  "required": ["standard", "version", "signalType", "deviceId", "timestamp"],
  "properties": {
    "standard": {
      "type": "string",
      "const": "WIA-MED-003"
    },
    "version": {
      "type": "string",
      "pattern": "^\\d+\\.\\d+\\.\\d+$"
    },
    "signalType": {
      "type": "string",
      "enum": ["ECG", "SPO2", "BLOOD_PRESSURE", "HRV", "TEMPERATURE", "RESPIRATORY_RATE"]
    },
    "deviceId": {
      "type": "string",
      "minLength": 1
    },
    "timestamp": {
      "type": "string",
      "format": "date-time"
    }
  }
}

4.8.2 ECG 스키마 (확장)

{
  "allOf": [
    { "$ref": "#/definitions/baseSignal" },
    {
      "properties": {
        "signalType": { "const": "ECG" },
        "sampling": {
          "type": "object",
          "required": ["rate"],
          "properties": {
            "rate": { "type": "number", "minimum": 100, "maximum": 2000 },
            "duration": { "type": "number" },
            "totalSamples": { "type": "integer" }
          }
        },
        "leads": {
          "type": "array",
          "minItems": 1,
          "items": {
            "type": "object",
            "required": ["name", "data", "unit"],
            "properties": {
              "name": { "type": "string" },
              "data": { "type": "array", "items": { "type": "number" } },
              "unit": { "type": "string", "const": "mV" }
            }
          }
        }
      },
      "required": ["sampling", "leads"]
    }
  ]
}

4.9 데이터 압축 및 최적화

4.9.1 압축 방법

대용량 생체신호 데이터의 효율적 전송:

1. 델타 인코딩:
   원본: [100, 102, 104, 103, 105, 107]
   델타: [100, +2, +2, -1, +2, +2]
   압축률: ~40-60%

2. Run-Length Encoding:
   연속된 같은 값 압축
   [95, 95, 95, 95, 96] → [95×4, 96×1]

3. Gzip 압축:
   JSON 전체를 gzip으로 압축
   압축률: ~70-80%

4. 다운샘플링 (품질 유지):
   1000Hz → 500Hz (항-앨리어싱 필터 적용)
   데이터 크기 50% 감소

4.9.2 배치 전송

실시간성과 효율성 균형:

{
  "batch": {
    "batchId": "batch-123",
    "startTime": "2025-01-15T10:00:00.000Z",
    "endTime": "2025-01-15T10:05:00.000Z",
    "signals": [
      { /* 신호 1 */ },
      { /* 신호 2 */ },
      // ... 최대 100개 신호
    ],
    "compression": "gzip",
    "totalSize": 245678,         // bytes (압축 전)
    "compressedSize": 49135      // bytes (압축 후)
  }
}

4.10 장 요약

[OK] 핵심 내용:

1. 공통 구조: 모든 신호는 표준 메타데이터 포함
2. ECG: 다중 리드 지원, 파형 분석, 이상 감지
3. SpO2: 산소포화도, PPG 파형, 품질 지표
4. 혈압: 수축기/이완기, 연속 모니터링 지원
5. HRV: 시간/주파수 영역 분석, 스트레스 평가
6. 체온: 다양한 측정 위치, 연속 추적
7. 호흡수: 호흡 패턴, 파형 분석
8. JSON Schema: 엄격한 데이터 검증
9. 최적화: 압축 및 배치 전송

4.11 복습 문제

1. 모든 WIA-MED-003 신호에 필수적으로 포함되어야 하는 공통 필드는 무엇인가요?
2. ECG 신호의 리드 시스템 차이점을 설명하세요 (1-리드 vs 12-리드).
3. SpO2 측정에서 PPG 파형이 어떻게 활용되나요?
4. HRV의 SDNN과 RMSSD 지표의 차이는 무엇인가요?
5. 연속 혈압 모니터링에서 보정(calibration)이 왜 필요한가요?
6. 데이터 압축 방법 3가지를 설명하고 각각의 장단점을 비교하세요.

4.12 다음 장 미리보기

제5장에서는 Phase 2인 API 인터페이스 표준을 다룹니다. VitalSignStream 클래스, 장치 검색, 실시간 스트리밍, 알림 시스템 등 실제 소프트웨어 구현에 필요한 API를 학습합니다.

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