디지털헬스케어를 위한 연속수동운동 의료기기의 통신시스템 구현 = Implementation of A Communication System of Continuous Passive Motion Medical Equipment for Digital Healthcare

국문 초록 (Abstract)

디지털 헬스케어를 위한 연속수동운동 의료기기의 통신 시스템 구현 본 논문에서는 디지털 헬스케어 기반의 연속수동운동(CPM) 의료기기의 통신 시스템을 구현한다. 병원 건물과 비슷한 환경에서 CPM의 운동 환경 설정 및 모니터링을 하기 위해 장거리 통신용 LoRa 통신방식을 사용하여 다중 장비 제어 시스템을 구축하는 방법을 제안하였다. 기존에 주로 사용 되던 유선통신을 이용한 원격 시스템 제어는 장비의 잦은 이동으로 인한 불편함과 CPM이 설치되는 장소의 제약이 있으므로, 이러한 문제점을 해결 하기 위해 무선통신 시스템이 요구된다. 본 논문에서는 가변저항과 엔코더를 이용한 고정밀 각도 측정과 모터에 흐르는 전류의 변화량을 감지하는 관절 가동 범위 측정 알고리즘을 적용하였다. 이를 통해 의료기기의 운동 성능과 의료기기 사용자의 운동 데이터 정확도를 개선하였고 Master LoRa 모듈과 PC를 통해 실시간 모니터링 서비스를 제공하는 플랫폼을 설계하였다. CPM 시스템은 MCU를 중심으로 가변저항(Potentiometer), 엔코더 (Encoder)와 모터 제어용 드라이버 IC를 이용하여 모터 제어 시스템을 구성하였으며, CPM과 의료기기 사용자 간의 사용자 인터페이스(UI)를 개선하기 위해 7인치 칼라 TFT-LCD를 사용하였다. 이렇게 성능이 향상된 CPM 시스템을 통해 장거리 무선통신 운동 환경을 설정하고 모니터링하기 위해 LoRa 통신용 STM32WL 시리즈의 MCU를 활용한 무선통신 모듈을 설계하였다. 설계한 LoRa 모듈을 활용하여 모듈 간의 P2P(Point to Point) 통신을 구현했으며, 병원과 비슷한 800m 내의 장거리에서 통신이 가능하도록 설계하였다. 따라서 본 연구에서 제안한 방식은 기존의 원격시스템에서 발생하는 불편함과 제약을 해결할 수 있으므로, 미래 의료 환경을 더욱 향상시킬 것으로 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this thesis, we implement a communication system for a digital healthcare-based continuous passive motion (CPM) medical device. In order to set up and monitor the exercise environment of CPM in a situation similar to a hospital building. we propose a method for building a multi-device control system using LoRa communication for long-range communication Remote system control using wired communication, which is mainly used in the past, has inconveniences due to frequent movement of devices and limitations in the location where CPMs are installed, so a wireless communication system is required to resolve these issues. Here, we applied a high-precision angle measurement using a variable resistor and an encoder and a joint motion range measurement algorithm that detects the change in current flowing through the motor. Thus, we improved the motion performance of medical devices and the accuracy of motion data for medical device users, and designed a platform that provides real-time monitoring services through a Master LoRa module and a PC. The CPM system consists of a motor control system using a variable resistor (potentiometer), an encoder, and a motor control driver IC centered on an MCU, and a 7-inch color TFT-LCD was used to improve the user
interface (UI) between the CPM and the medical device user. To set up and monitor the exercise environment with long-distance wireless communication through this improved performance CPM system, we designed a wireless communication module utilizing the STM32WL series MCU for LoRa communication. Then, we implemented P2P (Point to Point) communication between the modules by utilizing the designed LoRa module, and designed it to enable long-distance communication within 800m, similar to a hospital. Therefore, the method proposed in this study is expected to further improve the future medical environment as it can resolve the inconveniences and limitations that occur in existing remote systems.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 1 절 연구 배경 1
• 제 2 절 연구 필요성 및 목적 3
• 제 2 장 연속수동운동(CPM) 의료기기 설계 4
• 제 1 절 연속수동운동(CPM) 의료기기 구성 4
• 제 2 절 가변저항과 엔코더를 이용한 고정밀 각도 계측 7
• 2.2.1 기존 각도 계측의 문제점 7
• 2.2.2 가변저항 회로 8
• 2.2.3 SOE42-500 광학식 엔코더 회로 9
• 2.2.4 고정밀 각도 계측 10
• 제 3 절 A4955 모터 드라이버 IC를 이용한 전류 계측 17
• 2.3.1 A4955 모터 드라이버 IC를 이용한 전류 계측 회로 17
• 2.3.2 전류 계측 19
• 제 4 절 고정밀 관절가동범위 측정 20
• 제 5 절 디지털 오디오 IC(ISD3800)를 활용한 음성출력 22
• 2.5.1 디지털 오디오 IC(ISD3800) 22
• 2.5.2 음성 인터페이스 설계 24
• 제 6 절 블루투스 모듈을 이용한 무선통신 구현 25
• 제 7 절 연속수동운동 의료기기의 동작 순서 26
• 제 3 장 디지털 헬스케어 통신 시스템 구현 28
• 제 1 절 LoRa 통신 모듈을 이용한 통신 시스템 구현 28
• 3.1.1 LoRa 통신 개요 28
• 3.1.2 LoRa 통신용 MCU 29
• 3.1.3 RF 송수신단 필터 회로의 임피던스 매칭 30
• 3.1.4 RF 안테나 35
• 제 4 장 실험 및 결과 41
• 제 1 절 실험 환경과 실험 결과 41
• 4.1.1 가변저항과 엔코더를 이용한 고정밀 각도 측정실험 결과 41
• 4.1.2 속도 시험 결과 44
• 4.1.3 모터 드라이버 IC를 이용한 전류 계측 실험 결과 45
• 4.1.4 블루투스 모듈을 통한 무선통신 실험 결과 47
• 4.1.5 LoRa 장거리 통신 실험 결과 48
• 제 5 장 결론 50
• 참고문헌 52
• ABSTRACT 55