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A Methodology for Automated Interoperability Testing of Healthcare Information Systems based on an Actor Emulation Approach [Elektronische Ressource] / Diana-Elena Vega. Betreuer: Ina Schieferdecker

De
191 pages
AMethodologyforAutomatedInteroperabilityTestingofHealthcareInformationSystemsbasedonanActorEmulationApproachvorgelegt vonDiplom-IngenieurinDiana Elena VegaVonderFakultätIV-ElektrotechnikundInformatikderTechnischenUniversitätBerlinzurErlangungdesakademischenGradesDoktorderIngenieurwissenschaftenDr. Ing.genehmigte DissertationPromotionsausschuss:Vorsitzender: Prof. Dr. Ing. habil. ThomasMagedanzBerichter: Prof. Dr. -Ing. InaSchieferdeckerBerichter: Prof. Dr. phil.-nat. JensGrabowskiTagderwissenschaftlichenAussprache: 14.07.2011Berlin 2011D 832AbstractOver the last two decades, the number of healthcare services at the edge of the traditional medicalcare and computer technologies has increased dramatically, making eHealth infrastructure-relatedservices ubiquitous. Services such as telemedicine, telehealth, Electronic Health Record (EHR)systems are common terms and practices in the actual medical-care sector. A main characteristicof Healthcare Information Systems (HISs) is that they are very data-intensive systems. In thisrespect, a major problem is the lack of product interoperability. Many vendors provide solutions,which are rather provider-centric approaches (i.e., proprietary protocols and message formats),hence, interoperability is not regarded.The can be evaluated by means of interoperability testing.
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AMethodologyforAutomatedInteroperabilityTestingof
HealthcareInformationSystems
basedonanActorEmulationApproach
vorgelegt von
Diplom-Ingenieurin
Diana Elena Vega
VonderFakultätIV-ElektrotechnikundInformatik
derTechnischenUniversitätBerlin
zurErlangungdesakademischenGrades
DoktorderIngenieurwissenschaften
Dr. Ing.
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. Ing. habil. ThomasMagedanz
Berichter: Prof. Dr. -Ing. InaSchieferdecker
Berichter: Prof. Dr. phil.-nat. JensGrabowski
TagderwissenschaftlichenAussprache: 14.07.2011
Berlin 2011
D 832Abstract
Over the last two decades, the number of healthcare services at the edge of the traditional medical
care and computer technologies has increased dramatically, making eHealth infrastructure-related
services ubiquitous. Services such as telemedicine, telehealth, Electronic Health Record (EHR)
systems are common terms and practices in the actual medical-care sector. A main characteristic
of Healthcare Information Systems (HISs) is that they are very data-intensive systems. In this
respect, a major problem is the lack of product interoperability. Many vendors provide solutions,
which are rather provider-centric approaches (i.e., proprietary protocols and message formats),
hence, interoperability is not regarded.
The can be evaluated by means of interoperability testing. The publication of stan-
dards such as the Health Level Seven messaging standard (HL7) for defining a common message-
structuring scheme for message exchange between medical information systems, or the adoption
of the Integrating the Healthcare Enterprise (IHE) integration profiles for specifying use cases that
implementers should follow, is an important step in enabling interoperable HISs. These standards
and recommendations are the basis for interoperability testing.
This thesis develops an interoperability testing methodology and its realisation concepts for cop-
ing with the aforementioned issues in HISs. The main problem addressed in this thesis is how to
design a test system that can deal with very data-intensive systems and, at the same time, is ca-
pable of emulating the interacting parties. The challenge in this approach is how to automatically
customise and configure the test platform to simulate an interoperability scenario by instantiating
test components programmed in advance to the behaviour of particular interacting enti-
ties as required by the test scenarios. The methodology consists of three main parts: 1) the test
design process 2) the message event patterns which are used to derive test simulators and 3) the
conceptual architecture for a test framework.
The developed interoperability testing methodology is instantiated in a test framework based on
the TTCN-3 test technology. An important component of the realization of the test system is
based on the semantic mapping of HL7 version 2.x message structures to TTCN-3 message types
that preserves the ontology. A set of derivation algorithms for providing test behaviours
and configurations completes the abstract definition of test scripts. The framework also provides
means of communication with System under Test (SUT) and is capable to dynamically adapt to
any test configuration as required by test scenarios.
The eectiveness of the developed interoperability testing methodology is demonstrated through-
out two case studies. The first case study investigates the interoperability of systems from the
IHE Patient Care Devices (PCD) domain. The second applies the methodology to another do-
main, namely IHE IT Infrastructure (ITI). While the first case study realised within a research
project shows the suitability of the developed methodology, the second case study demonstrates
its feasibility directly in an industrial context.
34Zusammenfassung
In den letzten zwei Dekaden hat sich die Anzahl von medizinischen Diensten in Ergänzung der tra-
ditionellen medizinischen Versorgung erhöht. Die auf eHealth-Infrastrukturen bezogenen Dienste
wie Telemedizin, Telehealth, Electronic Health Record (EHR) sind allgegenwärtig und gehören
mittlerweile zum medizinischen Alltag. Eine Hauptcharakteristik der Healthcare Information
Systems (HIS) ist, dass sie datenintensive Systeme sind. Eines der größten Probleme bei HIS-
Lösungen ist die fehlende Interoperabilität der Produkte. Viele Hersteller liefern Lösungen, die
eher anbieterzentrierte Ansätze verfolgen (z.B. proprietäre Nachrichtenformate) und damit wenig
herstellerübergreifend bzw. interoperabel sind. Die Interoperabilität kann durch Interoperabilität-
stesten überprüft werden. Dabei ist für die Interoperabilität von HISs die Etablierung und Einhal-
tung von Standards wie z.B. der Health Level Seven (HL7) Standard, der die Nachrichtenstruktur
für den Austausch von Nachrichten zwischen medizinischen Informationssystemen festlegt, oder
von sogenannten IHE Profilen (Integration Healthcare Enterprise) für die Spezifikation von An-
wendungsfällen, wichtig. Diese Standards und darauf aufbauende Empfehlungen werden als Basis
für das Testen der Interoperabilität herangezogen.
Diese Dissertation führt eine Interoperabilitätstest-Methodologie ein und präsentiert die Konzepte
für deren technische Realisierung unter Beachtung der Besonderheiten von HIS Systemen. Eine
wesentliche Herausforderung dieser Dissertation bestand in einem flexiblen und skalierbaren
Entwurf eines Test-Systems, welches auf der einen Seite mit den sehr datenintensiven Sys-
temen umgehen kann und auf der anderen Seite fähig ist, die interagierenden Komponenten
zu simulieren. Eine weitere Herausforderung bestand in der automatisierten Anbindung und
Konfiguration des Test-Systems bzgl. der Verschiedenartigkeit der Anwendungsszenarien, so dass
das Test System in der Lage ist, Interoperabilitätsszenarien durch die Instanziierung der im Voraus
programmierten Testkomponenten zu simulieren. Die Methodologie besteht aus drei Teilen:
1) ein Prozess für den Testentwurf, 2) Muster für den Austausch der Nachrichten, die für die
Ableitung des Verhaltens der Tests verwendet werden und 3) ein Konzept für eine Testarchitektur
eines Test Frameworks.
Die entwickelte Interoperabilitätstest-Methodologie wird in einem auf der TTCN-3 Test Technolo-
gie basierten Test-System realisiert. Ein wichtiges Element der Realisierung ist das semantische
Mapping der HL7 Version 2.x Nachrichtstrukturen nach TTCN-3 Typen, das die Struktur und
Semantik der Nachrichten bewahrt. Eine Sammlung von Ableitungsalgorithmen, die passendes
TTCN-3 Test-Verhalten erzeugen, vervollständigen die Definition der Testskripts. Das Frame-
work unterstützt auch die Kommunikation mit dem System unter Test und ist in der Lage, sich
dynamisch an beliebige Testkonfigurationen, die die Test-Szenarien erfordern, anzupassen. Die
Eektivität der entwickelten Interoperabilitätstest-Methodologie wird anhand von zwei Fallstu-
dien demonstriert. In der ersten Fallstudie wird die Interoperabilität der IHE PCD Systeme (Patient
Care Devices) untersucht. In der zweiten Fallstudie wird die Methodologie auf IHE ITI (IT Infras-
tructure) konforme Systeme angewendet. Während die erste Fallstudie in einem Forschungspro-
jekt durchgeführt wurde, welches die Angemessenheit der nachweist, demonstriert
die zweite Fallstudie ihre Anwendbarkeit in einem industriellen Kontext.
56Acknowledgements
Working on this thesis was for me like a long journey. When I reached the end of this journey I
understood that travelling to the destination is more important than reaching the destination itself.
This eort would not have been possible without the support of some people whom I would like
to thank.
First of all, I want to express my deepest gratitude to my parents for their love and continuous
encouragements along these years. They were always there to motivate me to walk till the end, to
help me get up when I felt down and to appreciate any little success I achieved.
Along my professional path, I especially thank my first coordinator, Prof. Dr. Ina Schieferdecker,
for bringing me to the healthcare IT field and for creating the proper research environment for me
to learn, create and work with experts in the field. I appreciate her a lot for helping me keeping
my faith, for the many valuable discussions we had and for guiding me over the years.
I would also like to thank Prof. Dr. Jens Grabowski for being my second coordinator and for
reviewing my thesis.
I consider myself fortunate to have been involved in a very challenging research project. I enjoyed
working with Dr. Armin Metzger, Georg Götz, Stefan Holpp, Hilbert Koetsier, Cristian Taslitchi
and Prof. Dr. Florica Moldoveanu during the ReTeMes project. Also in this context, I want to
thank Testing Technologies for providing me with the tool development environment for doing the
experimental work.
For the possibility to demonstrate my results in an industrial context, I want to express my gratitude
and my respect to Milan Zoric from ETSI for inviting me as a consultant to both Connectathon
events 2010 and 2011 and for supporting my work and my ideas over the two years.
Sincere and special thanks to Dr. George Din, my former colleague at FOKUS, for many fruitful
discussions, suggestions, support and valuable comments during my research.
MOTION research group at Fraunhofer FOKUS provided me with the well-equipped environment
in both technical and non-technical sense that made this work not just possible but even enjoyable.
78Contents
1 Introduction 17
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2 Objectives of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3 Structure of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4 List of Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Fundamentals of Interoperability Testing in eHealth Domain 23
2.1 Interoperability and Interoperability Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.1 Interoperability Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.2 Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.3 Adopted Definitions of Interoperability and Interoperability Testing . . . 34
2.2 Healthcare IT Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.1 eHealth Shift Paradigm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.2 Healthcare Information Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3 Interoperability of Healthcare Information Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.1 International Organisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.2 Most-Referenced Messaging Standards and Specifications . . . . . . . . 44
2.3.3 Workflows Recommendations . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.4 International IOP Research Projects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.5 Certifications Bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.6 Interoperability Testing of HISs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3 Interoperability Test Methodology for Healthcare Information Systems 57
3.1 Challenges in Interoperability Testing at Plug-in Events . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2 in HIS Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3 HIS Testing Methodology Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4 HIS Interoperability Testing Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4.1 Perspectives of Interoperability Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
910 CONTENTS
3.4.2 Triggered-based Interactions between HISs Actors . . . . . . . . . . . . 72
3.4.3 Interoperability Message Exchange Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4.4 Testing of Message Exchange Patterns and their Combinations . . . . . . 77
3.4.5 Conceptual Architecture of an Interoperability Test Framework . . . . . 79
3.4.6 Application of the Test Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4 Design and Realization of the Test Framework 87
4.1 Motivation for the Selected Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 Guidelines for Test Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.2 Concept of Guidelines Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3 Instantiation of the Test Architecture in TTCN-3 Technology . . . . . . . . . . . 91
4.3.1 TTCN-3 Types Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3.2 Test Data Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3.3 TTCN-3 Functions Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.3.4 Behaviour Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.3.5 TTCN-3 Means of Communication Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5 Case Studies: Interoperability Tests for IHE PCD and ITI Domains 121
5.1 IHE Patient Care Devices Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.1.1 DEC Integration Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.1.2 Test System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.2 IHE IT Infrastructure Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.2.1 PIX Integration Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2.2 Test System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6 Conclusions and Outlook 167
Glossary 171
Acronyms 173