tomografi listrik untuk aplikasi medis

Tomografi Listrik Untuk Aplikasi Medis

Diposkan oleh Bayu Sasongko

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).

SUMBER:  http://ins3l.wordpress.com/