개요
기존 고압산소치료(HBOT) 시스템은 도입 비용이 높고 전문 설치 환경이 필요한 데다, 실시간 원격 관리 기능의 부재 탓에 병원 밖에서는 활용하기 어려웠다. 의료진이 늘 상주해야 했고 원격 제어·모니터링도 불가능했다. 자동화된 프로세스가 부족해 운영 효율성도 낮았다.
본 연구는 IoT 기술과 Android OS를 결합해 고압산소챔버를 헬스케어 기기로 확장하는 것을 목표로 삼았다.
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 기간 | 2024 |
| 소속 | 연세대학교 의공학과 석사 학위논문 |
| 역할 | 전체 시스템 설계 및 개발 |
| 최대 운용 압력 | 약 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 라이브러리로 앱 코드에서 하드웨어 핀(GPIO·SPI·I2C·UART)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, UART)
- 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 | 약 3기압 | 3.02 ATA 실험값 기준 |
| 가압 속도 | 0.028 MPa/min | 기준 대비 현저히 낮음 (안전) |
| 감압 속도 | 0.0446 MPa/min | |
| Step Function Overshoot | 0.67% | 3기압 기준 |
| 30분 프로파일 overshoot | 최대 0.02기압 | 2기압 유지 구간 |
| 35분 프로파일 overshoot | 미세한 범위 내 안정 | 응급 배기 상황 포함 |
| 3시간 장기 프로파일 | 목표 압력 대비 근소한 초과 | 응급 배기 상황 포함 |
Step Function 실험에서 확인한 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 라이브러리로 Java 코드에서 GPIO 핀을 직접 제어하므로, 제어 로직·UI·통신을 Android Studio 단일 환경에서 통합 개발할 수 있다. 이것이 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.
소프트웨어 중심 흐름과 하드웨어 안전장치
최근 자동차·가전·산업 장비 등 많은 기기가 하드웨어보다 소프트웨어가 시스템의 가치와 기능을 정의하는 방향으로 이동하고 있다. 이 시스템도 센서 수집·상시 압력 제어·통신·UI를 Android 앱 하나로 통합하는 소프트웨어 중심 구조를 택했다.
다만 상시 압력 제어까지 Android 앱에 의존하는 구조에는 한계가 있다. 응급 배기밸브는 안전을 보장할 뿐 제어를 대신하지는 않기 때문에, 앱이나 OS에 문제가 생기면 치료의 연속성과 제어 신뢰성이 영향을 받는다. 제품화 단계에서는 상시 압력 제어 로직을 검증 가능한 전용 MCU로 분리하고, Android 계층은 HMI·원격 통신·기능 확장을 담당하는 상위 계층으로 재배치하는 것이 자연스러운 발전 방향이다.
Discussion
본 연구는 IoT 기술로 고압산소치료 시스템의 한계를 완화하고, 병원 중심에서 개인 맞춤형 헬스케어로 전환할 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
- 상시 압력 제어가 Android 앱에 의존하므로, 제품화 단계에서는 제어부를 검증 가능한 전용 MCU로 분리하는 구조 개선이 필요함
- 향후 실제 의료 프로토콜 적용 및 임상 검증으로 확장 가능
