Tomografi Listrik Untuk Aplikasi Medis
Berbagai
instrumentasi tomografi telah dirancang dan dikembangkan untuk aplikasi baik
dalam bidang medis maupun industri. Tomografi di bidang medis berperan sangat
penting untuk mendiagnosa suatu penyakit dengan cara melihat “tembus pandang”
organ dan jaringan. Mode tomografi yang paling umum dijumpai pada bidang medis
antara lain Magnetic Resonance Imaging (MRI), X-ray CT-Scan, Positron Emitted
Thomography (PET) dan tomografi ultrasonik. Tomografi juga banyak digunakan di
industri untuk memonitoring dan melakukan investigasi berbagai proses
produksi[1,2]. Perkembangan tomografi pada bidang industri tidak hanya fokus
pada memperoleh citra dengan resolusi tinggi namun juga mempunyai kecepatan
scanning yang cukup tinggi dan harga yang relatif murah[2]. Beberapa mode
tomografi yang dikembangkan antara lain Electrical Impedance Tomography
(EIT), Electrical Capacitance Tomography (ECT), dan Electrical Resistance
Tomography (ERT)[1,2,3]. Selain digunakan di Industri, beberapa peneliti telah
mengembangkan tomografi listrik untuk aplikasi medis[4,5,6].
Electrical
Impedance Tomography (EIT) / Electrical Resistance Tomography (ERT)
EIT
merupakan teknik untuk memperkirakan distribusi impedansi di dalam domain
berdasarkan pengukuran pada permukaan objek[14]. EIT merekonstruksi distribusi
konduktivitas internal dari suatu objek berdasarkan injeksi arus dan
pengukuran tegangan di permukaan objek[11,16]. Beberapa penelitian menunjukkan
EIT dapat mendeteksi kanker payudara dan memberikan informasi yang cukup akurat
mengenai perbedaan jaringan payudara dan jaringan kanker[5,6,13,17].
S. Gang Ye,
et. al [13] mengembangkan sistem EIT tiga dimensi untuk mendeteksi kanker
payudara yang terdiri dari 128 elektroda yang disusun membentuk kerucut.
Penelitian [13] dapat mengukur konduktifitas dan resistivitas dari phantom pada
frekuensi 10kHz. Diagram sistem dan konstruksi sensor EIT dapat dilihat pada
gambar 1. Hasil pengujian secara in-vitro menunjukkan bahwa EIT dapat
membedakan konduktivitas ataupun resistivitas jaringan kanker dan jaringan
lainnya [6,17] dan dapat digunakan untuk mendeteksi kanker payudara dengan
sensitivitas sekitar 77.8%[5].
Electrical
Capacitance Tomography (ECT)
Tomografi
kapasitansi listrik (ECT) adalah teknik pencitraan non-invasif dan
non-destruktif yang menggunakan pengukuran kapasitansi listrik di pinggir
objek untuk menghasilkan peta permitivitas dielektrik objek. ECT volumetrik
merupakan metode baru yang menimbulkan tantangan komputasi besar dalam
rekonstruksi citra dan tantangan baru dalam desain sensor[7,8]. Secara umum ECT
terdiri dari sensor kapasitansi, sistem akusisi data, komputer dan rekonstruksi
citra. ECT mengukur perubahan kapasitansi dari sensor multi-elektroda sebagai
akibat perubahan permitifitas dari material yang sedang dicitrakan, dan citra
rekronstruksi cross-sectional menggunakan data hasil pengukuran dan
algoritma yang sesuai[12].
Prinsip
kerja ECT pada awalnya didasarkan pada rangkain charge-discharge. Rangkaian ECT
berbasis charge discharge terdiri dari rangkaian switch yang mengatur
konfigurasi elektrode sebagai source atau detector, differensial amplifier,
programable gain amplifier (PGA), ADC dan DAC. Pada penelitian [19] rangkaian
digital berbasis FPGA digunakan untuk melakukan akusisi data dan mengontrol
switch mengatur konfigurasi elektroda.
Kelemahan
utama dari ECT berbasis rangkaian charge-discharge adalah stray capacitance
antara koneksi elektroda dan ground yang dapat mempengaruhi pengukuran dan
kualitas citra hasil rekonstruksi[9,19]. Salah satu cara mengurangi stray
capcitance antara lain dengan mengintegrasikan elektroda dan rangkaian analog
lainnya dalam satu paket CMOS untuk mengurangi panjang jalur koneksi antara
elektroda dan ground. Penelitian [19] menunjukkan bahwa dengan menggunakan
elektroda terintegrasi SNR meningkat dari 48dB menjadi 58dB dan kepresisian
pengukuran naik dari 0.398fF menjadi 0.126fF.
Metode lain
yang digunakan untuk mengurangi efek stray capacitance adalah ECT berbasis
sinyal AC. Seperti halnya ECT berbasis charge-discharge, sistem tomografi
kapasitansi listrik berbasis-AC terdiri dari rangkaian switch,
elektroda/sensor, rangkaian analog buffer, PGA ADC dan DAC, dan pembangkit
sinyal AC. Rangkaian kapasitansi berbasis-AC diperkenalkan karena dapat
mengukur kapasitansi yang kecil dan tidak peka terhadap stray
capacitanceKeunggulan lain dari pengukuran kapasitansi berbasis sinyal AC
adalah respon sinyal yang cepat.[9,20]. Skema rangkaian ECT berbasis
sinyal AC dapat dilihat pada gambar 3.
Selain
metoda charge-discharge dan sinyal AC, Sathiyamoorthy et al [14] mengembangan
ECT berbasis sinyal pulsa. Dari hasil penelitian, diketahui bahwa pengukuran
kapasitansi berbasis pulsa dapat mengurangi level noise (meningkatkan SNR),
kebal terhadap stray, dan dapat megukur kapasitansi hingga orde femto Farad
(fF). Selain itu, ECT berbasis pulsa tidak membutuhkan offset tegangan dan
proses akusisi data yang cepat[14]. Skema ECT berbasis sinyal pulsa dapat
dilihat pada gambar 4.
Sistem ECT
biasanya diimplementasikan dengan menggunakan metode pemrosesan sinyal analog.
Design metodologi pada sistem ECT AC telah diakui tingkat keakurasiannya.
Namun, dikarenakan karakteristik dari rangkaian analognya, kecepatan akusisi
data untuk sistem ECT dengan 12 elektroda hanya sampai 150 frame perdetik. Hal
ini dikarenakan setting time yang lama pada filter low-pass di rangkaian
demodulator[10].
Beberapa
peneliti [10,21] mengembangkan sistem ECT berbasis FGPA untuk meningkatkan
kecepatan akusisi data dengan mengurangi proporsi rangkaian analog pada sistem.
Sistem ECT berbasis FPGA meliputi: FPGA ,sistem akusisi data yang terdiri dari
interface elektroda, analog multiplexer, ADC dan DAC. Modul signal generator,
demodulator dan filter diimplementasikan di dalam FPGA.
Dual
modality Tomography
Sistem
tomografi modalitas tunggal tidak selalu dapat digunakan pada setiap aplikasi
sehingga diperlukan penggabungan beberapa modalitas. Tiap sistem tomografi
memiliki keunggulan masing-masing, seperti harga yang terjangkau, respon yang
cepat, tidak ada radiasi dan non-intrunsif. Tomografi modalitas tunggal
menyediakan solusi yang memuaskan hampir pada setiap aplikasi. Namun, untuk
aplikasi yang lebih kompleks, informasi tambahan dibutuhkan untuk
memahami proses secara komprehensif. Sistem tomografi dengan modalitas tunggal
tidak dapat meningkatkan resolusi tinggi citra ke distribusi konsentrasi secara
penuh dan tidak cukup mampu untuk mengektrak karakteristik penting dari sistem.
Namun penggabungan modalitas satu dengan yang lain berpotensi menimbulkan
kesalahan pengukuran sebagai akibat terjadinya crosstalk antar dua elektroda
yang diletakkan pada cross-section yang sama [1,11].
Tomografi
multimodal secara umum dilakukan dengan tiga cara, yaitu: 1)
menggabung-kan dua atau lebih perangkat keras sensor tomografi ke dalam
sistem pencitraan tunggal; 2) rekonstruksi menggunakan suatu teknik yang mampu
membedakan antara komponen dan fase yang berbeda berdasarkan penginderaan
sinyal, dan 3) menggunakan perangkat keras sensor tunggal untuk mendapatkan
sinyal yang berbeda sesuai dengan sifat listrik yang berbeda[18].
Ziqiang, et
al [11] mengembangkan sistem tomografi dual modalitas ECT/ERT terintegrasi
dengan menggabungkan elektroda kapasitansi dan elektroda resistansi pada
cross-section yang sama dan mengembangkan sistem akusisi untuk kedua sensor
tersebut. Penggunaan elektroda kapasitansi dan resistansi yang
terintegrasi membantu mengeliminasi interferensi mutual antar dua modalitas.
Peneliti lain [15] menggembangkan sistem dual modalitas ECT/ERT dalam
satu platform untuk meningkatkan kecepatan akusisi data dan rekonstruksi citra.
Peneliti
lain [1] mengembangkan metode dual modalitas baru dengan cara menggabungkan
sensor kapasitansi listrik dan sensor optik. Hal tersebut bertujuan untuk
mendapatkan fusi citra dengan resolusi tinggi pada distribusi konsentrasi penuh
ke dalam satu bidang sensor sehingga diperoleh informasi menyeluruh
berdasarkan pengukuran intensitas dan properti dielektrik material.
Penelitian
[18] mengembangkan sistem tomografi multimodal dengan menggunakan perangkat
keras ECT. Berbeda dengan penggunaan ECT tunggal, ECT multimodal menggunakan
medan elektromagnetik quasi yang dihasilkan oleh sensor ECT untuk mengukur
kapasitansi maupun distribusi permitivitas dan konduktivitas. Tidak seperti EIT
yang didasarkan injeksi arus, teknik ECT multimodal tidak membutuhkan kontak
langsung sensor ke objek ketika pengukuran konduktivitas (impedansi).
Seperti
halnya EIT, ECT multimodal memiliki potensi untuk dikembangkan dalam bidang
medis karena dapat mengukur beberapa parameter jaringan tubuh seperti
kapasitansi konduktasi dan permitiditas. Selain itu ECT multimodal
merupakan teknik tomografi yang bersifat non-invansif (tidak berhubungan
langsung dengan objek) dan non-instrusif (tidak mempengaruhi proses) sehingga
aman digunakan pada aplikasi medis.
Referensi
1.
R. M. Zain, R. Abdul Rahim, “Development of Hardware Dual Modality
Tomography System”, Sensors & Transducers Journal, Vol. 105, Issue 6, ,
June 2009
2.
Qussai Marashdeh , Warsito, Liang-Shih Fan, Fernando Teixeira, “Dual
imaging modality of granular flow based on ECT sensors”, Granular Matter, Vol.
10, pp. 75-80, 2008
3.
Warsito, “Review: Komputasi Tomografi dan Aplikasinyadalam Proses
Industri”, Prosiding Semiloka Teknologi Simulasi dan Komputasi serta Aplikasi,
2005
4.
Tyna A Hope, Siân E Iles, “Technology review: The use of electrical
impedance scanning in the detection of breast cancer”, Breast Cancer Research,
Vol 6 No 2, 004
5.
S. Prasad N, D. Houserkova, J. Campbell, “Breast imaging using 3D
electrical impedance tomography”, Biomed Pap Med Fac Univ Palacky Olomouc Czech
Repub. 2008, 152(1), pp. 151-154, 2008
6.
Tzu-Jen Kao, G J Saulnier, Hongjun Xia, Chandana Tamma, J C Newell, D
Isaacson, “A compensated radiolucent electrode array for combined EIT and
Mammography”, Physiol Meas. 2007 July ; 28(7): S291–S299
7.
M.Solemani,C.N. Mitchell, R. Banasiak, R. Wajman, A. Adler, “Four
Dimensional Electrical Capacitance Tomography Imaging Using Experimental Data”,
Progress In Electromagnetics Research, PIER 90, pp. 171-186, 2009
8.
R. Banasiak, R. Wajman, D. Sankowski, “Three-dimensional Nonlinear
Inversion of Electrical Capacitance Tomography Data Using a Complete Sensor
Model”, Progress In Electromagnetics Research, PIER 100, pp. 219-234, 2010
9.
Fu Wenli, Zhao Jinchuang, Lei Jingjie, “Development on 3D Electrical
Capacitance Tomography Instrument”, Chinese Control and Decision Conference
(CCDC 2009), 978-1-4244-2723-9/09/$25.00_c 2009 IEEE
10.
Huaxiang Wang, Ziqiang Cui, Yanbin Xu, Lifeng Zhang, Yongbo He, “Digital
Signal Processing in Electrical Capacitance Tomography”,
978-1-4244-2342-2/08/$25.00 ©2008 IEEE.
11.
Ziqiang Cui, Huaxiang Wang, Yanbin Xu, Lifeng Zhang, “An Integrated
ECT/ERT Dual Modality Sensor”, I2MTC 2009 – International Instrumentation and
Measurement Technology Conference, Singapore, 5-7 May 2009
12.
Fei Wang, Qussai Marashdeh, Liang-Shih Fan, Warsito Warsito,“
Review:Electrical Capacitance Volume Tomography: Design And Applications”,
Sensors 2010, 10, 1890-1917; I:10.3390/S100301890
13.
Gang Ye, Kim H. Lim, Rhett George, Gary Ybarra, William T. Joines , Qing
H. Liu, “A 3d EIT System For Breast Cancer Imaging”, IEEE Xplore.
14.
S. Sathiyamoorthy, J. Saratchandrababu, “Design of High-Speed Pulse Input
Based Capacitance Measurement for Electrical Capacitance Tomography”, Sensors
& Transducers Journal, Vol.75, Issue 1, January 2007, pp.896-903
15.
Baoliang Wang, Zhiyao Huang, Haiqing Li, “Design of high-speed ECT and
ERT system”, Journal of Physics: Conference Series 147 (2009) 012035
doi:10.1088/1742-6596/147/1/012035
16.
Luís Augusto Motta Mello, et. al, “Three-Dimensional Electrical Impedance
Tomography: A Topology Optimization Approach”, IEEE Transactions On Biomedical
Engineering, Vol. 55, No. 2, February 2008
17.
Cherepenin Et Al., “Three-Dimensional EIT Imaging Of Breast Tissues:
System Design And Clinical Testing”, IEEE Transactions On Medical Imaging, Vol.
21, No. 6, June 2002
18.
Qussai Marashdeh, Warsito Warsito, Liang-Shih Fan, Fernando L. Teixeira ,
“A Multimodal Tomography System Based On ECT Sensors”, IEEE Sensors Journal,
Vol. 7, No. 3, March 2007
19.
Philip Williams, Trevor York, “Evaluation of Integrated Electrodes for
Electrical Capacitance Tomography”, 1st World Congress on Industrial Process
Tomography, Buxton, Greater Manchester, April 14-17, 1999
20.
Gao Yan-li, Zhang Yonggao, “Key Issues in Designing High-speed Hardware
for Electrical Capacitance Tomography System”, 2009 International Forum on
Computer Science-Technology and Applications.
21.
P. Brzeski Et Al, “Multichannel Capacitance Tomograph For Dynamic Process
Imaging”, Opto-Electronics Review 11(3), 175.180 (2003).
Tidak ada komentar:
Posting Komentar