개요
기존 고압산소치료(HBOT) 시스템은 높은 도입 비용, 전문 설치 환경의 필요성, 실시간 원격 관리 기능의 부재로 인해 병원 외 환경에서의 활용이 어려웠다. 의료진이 항상 상주해야 하고, 원격 제어·모니터링이 불가능했으며, 자동화된 프로세스가 부족해 운영 효율성이 낮았다.
본 연구는 IoT 기술과 Android OS를 결합해 고압산소챔버를 헬스케어 기기로 확장하는 것을 목표로 개발되었다.
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 기간 | 2024 |
| 소속 | 연세대학교 의공학과 석사 학위논문 |
| 역할 | 전체 시스템 설계 및 개발 |
| 최대 운용 압력 | 3기압 |
| GitHub | App · Server |
시스템 아키텍처
일반적인 Android 앱은 스마트폰에서 실행되는 UI다. 이 프로젝트에서는 챔버에 부착된 Tinker Board 2S(소형 컴퓨터) 위에서 Android 앱이 직접 실행되며, 앱 자체가 챔버를 제어하는 컨트롤러 역할을 한다. MRAA 라이브러리를 통해 앱 코드에서 하드웨어 핀(GPIO·SPI·I2C)을 직접 읽고 쓸 수 있어, 센서 수집 → PID 제어 → 서버 전송까지 단일 앱 안에서 모두 처리한다.
주요 기능
| 기능 | 설명 |
|---|---|
| 실시간 센서 모니터링 | 압력·온도·습도·O₂·CO₂·유량을 1초 주기로 수집 |
| PID 자동 압력 제어 | 2채널 PID로 가압/감압 비례밸브 정밀 제어 |
| 압력 프로파일 편집 | 구간별 시작압력·종료압력·지속시간 설정 |
| 라이브 차트 | 목표 프로파일(검정)과 실측 압력(빨강) 실시간 비교 |
| JWT 인증 | User / Operator / Administrator 역할 기반 접근 제어 |
| 원격 모니터링 | WebSocket으로 외부에서 실시간 데이터 확인 및 제어 |
기술 스택
Android App (On-device Controller)
- Language: Java
- Architecture: MVVM (ViewModel · LiveData)
- Hardware Control: MRAA (GPIO, SPI, I2C)
- Target: Tinker Board 2S (Rockchip RK3399, Android 11)
Server & Dashboard
- Backend: NestJS (Node.js) — Modular architecture, Swagger integration
- Frontend: Vue 3
- Database: MongoDB
- Protocol: WebSocket · REST API
- Auth: JWT + Role-Based Access Control (RBAC)
검증 결과
식품의약품안전처 인증 1인용 의료용 고압산소챔버 규격과 비교 검증을 진행했다.
| 항목 | 측정값 | 비고 |
|---|---|---|
| 최대 운용 압력 | 3기압 | |
| 가압 속도 | 0.028 MPa/min | 기준 대비 현저히 낮음 (안전) |
| 감압 속도 | 0.00446 MPa/min | |
| Step Function Overshoot | 0.67% | 3기압 기준 |
| 30분 프로파일 overshoot | 최대 0.02기압 | 2기압 유지 구간 |
| 35분 프로파일 overshoot | 최대 0.03기압 | 응급 배기 상황 포함 |
| 3시간 장기 프로파일 | 최대 2.03기압 | 응급 배기 상황 포함 |
Step-Function 실험에서의 미미한 Overshoot와 응급 배기밸브 테스트 결과는 PID 제어 시스템의 안정성을 보여준다.
Design Rationale
Android 앱을 SBC 컨트롤러로 사용한 이유
상업용 고압산소챔버는 대부분 PLC로 하드웨어를 제어하고, 별도 HMI 패널로 UI를 구성하는 구조다. SBC 기반으로 접근하더라도 일반적으로는 Linux + C 환경에서 제어 코드를 작성하고, Qt 같은 GUI 프레임워크를 별도로 구성해야 한다.
이 프로젝트는 Tinker Board 2S가 Android OS를 지원한다는 점을 활용해 Android 앱 자체를 컨트롤러로 운용했다. MRAA 라이브러리를 통해 Java 코드에서 GPIO 핀을 직접 제어하는 구조로, 제어 로직·UI·통신을 Android Studio 단일 환경에서 통합 개발할 수 있다는 점이 이 선택의 핵심 이유다.
응급 배기밸브의 하드웨어 독립 설계
응급 배기밸브는 소프트웨어와 완전히 독립된 물리적 안전장치로 구성했다. 밸브가 동작하면 소프트웨어 상태와 무관하게 하드웨어 레벨에서 강제로 압력을 해제한다. 앱 크래시나 소프트웨어 장애 상황에서도 안전 동작을 보장하기 위한 설계다.
2채널 독립 PID 구성
고압산소챔버는 압력 오버슈트가 안전 문제로 직결된다. 가압과 감압을 단일 PID로 처리하면 응답 특성이 달라 제어가 불안정해진다. 가압/감압 각각 독립적인 PID 채널을 구성하고, setpoint tracking algorithm을 적용해 3기압 Step Function 기준 0.67% overshoot를 달성했다.
Discussion
본 연구는 IoT 기술을 통해 고압산소치료 시스템의 근본적인 한계를 극복하고, 병원 중심에서 개인 맞춤형 헬스케어로의 전환 가능성을 제시했다.
검증 결과 식약처 인증 기기 대비 현저히 낮은 가압·감압 속도와 0.67%의 낮은 overshoot를 달성해 의료기기 수준의 안전성 기준을 충족했다. 응급 배기밸브 테스트에서도 예상치 못한 압력 변화에 안정적으로 대응함을 확인했다.
한계 및 향후 과제
- 비교 대상 기기 수가 제한적이어서 절대적 성능 평가에는 제약이 있음
- 실험이 통제된 환경에서 이루어져 다양한 실사용 환경에 대한 검증 필요
- 장기간 운용에 따른 시스템 안정성 및 신뢰성 평가 미실시
- 향후 실제 의료 프로토콜 적용 및 임상 검증으로 확장 가능