dual modality tomography untuk aplikasi medis

5/8/2018 Dual Modality Tomography Untuk Aplikasi Medis - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/dual-modality-tomography-untuk-aplikasi-medis 1/5

Review: Dual Modality Tomography Untuk Aplikasi Medis

Donie Agus Ardianto

NPM 0906597383

Program Pasca Sarjana Teknologi Biomedis Universitas Indonesia

Berbagai instrumentasi tomografi telahdirancang 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. Modetomografi yang paling umum dijumpai pada bidangmedis 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 memperolehcitra dengan resolusi tinggi namun juga mempunyaikecepatan scanning yang cukup tinggi dan hargayang relatif murah[2]. Beberapa mode tomografiyang dikembangkan antara lain Electrical

Impedance Tomography (EIT), Electrical Capacitance Tomography (ECT), dan Electrical Resistance Tomography (ERT)[1,2,3]. Selaindigunakan di Industri, beberapa peneliti telahmengembangkan tomografi listrik untuk aplikasi

medis[4,5,6].

Electrical Impedance Tomography(EIT) /

Electrical Resistance Tomography (ERT).

EIT merupakan teknik untuk memperkirakan distribusi impedansi di dalamdomain berdasarkan pengukuran pada permukaan

objek[14]. EIT merekonstruksi distribusikonduktivitas internal dari suatu objek berdasarkaninjeksi arus dan pengukuran tegangan di permukaanobjek[11,16]. Beberapa penelitian menunjukkanEIT dapat mendeteksi kanker payudara danmemberikan informasi yang cukup akurat mengenai perbedaan jaringan payudara dan jaringankanker[5,6,13,17].

S. Gang Ye, et. al [13] mengembangkansistem EIT tiga dimensi untuk mendeteksi kanker payudara yang terdiri dari 128 elektroda yang

disusun membentuk kerucut. Penelitian [13] dapatmengukur konduktifitas dan resistivitas dari phantom pada frekuensi 10kHz. Diagram sistemdan konstruksi sensor EIT dapat dilihat padagambar 1. Hasil pengujian secara in-vitromenunjukkan bahwa EIT dapat membedakankonduktivitas ataupun resistivitas jaringan kanker dan jaringan lainnya [6,17] dan dapat digunakanuntuk mendeteksi kanker payudara dengansensitivitas sekitar 77.8%[5].

Electrical Capacitance Tomography (ECT)

Tomografi kapasitansi listrik (ECT) adalahteknik pencitraan non-invasif dan non-destruktif yang menggunakan pengukuran kapasitansi listrik di pinggir objek untuk menghasilkan peta permitivitas dielektrik objek. ECT volumetrikmerupakan metode baru yang menimbulkantantangan komputasi besar dalam rekonstruksi citra

Gambar 1. Skema sistem EIT dan konstruksi sensor.[13]



dan tantangan baru dalam desain sensor[7,8]. Secara

umum ECT terdiri dari sensor kapasitansi, sistemakusisi data, komputer dan rekonstruksi citra. ECTmengukur perubahan kapasitansi dari sensor multi-elektroda sebagai akibat perubahan permitifitas darimaterial yang sedang dicitrakan, dan citrarekronstruksi cross-sectional menggunakan datahasil pengukuran dan algoritma yang sesuai[12].

Prinsip kerja ECT pada awalnya didasarkan pada rangkain charge-discharge. Rangkaian ECT berbasis charge discharge terdiri dari rangkaianswitch yang mengatur konfigurasi elektrode sebagaisource atau detector, differensial amplifier, programable gain amplifier (PGA), ADC dan DAC.Pada penelitian [19] rangkaian digital berbasisFPGA digunakan untuk melakukan akusisi data danmengontrol switch mengatur konfigurasi elektroda.

Kelemahan utama dari ECT berbasisrangkaian charge-discharge adalah stray capacitanceantara koneksi elektroda dan ground yang dapat

mempengaruhi pengukuran dan kualitas citra hasil

rekonstruksi[9,19]. Salah satu cara mengurangistray capcitance antara lain denganmengintegrasikan elektroda dan rangkaian analoglainnya dalam satu paket CMOS untuk mengurangi panjang jalur koneksi antara elektroda dan ground.Penelitian [19] menunjukkan bahwa denganmenggunakan elektroda terintegrasi SNR meningkatdari 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 berbasischarge-discharge, sistem tomografi kapasitansilistrik berbasis-AC terdiri dari rangkaian switch,elektroda/sensor, rangkaian analog buffer, PGAADC dan DAC, dan pembangkit sinyal AC.Rangkaian kapasitansi berbasis-AC diperkenalkankarena dapat mengukur kapasitansi yang kecil dantidak peka terhadap stray capacitanceKeunggulan

Gambar 2. Skema rangkaian analog ECT berbasis rangkaian charge-discharge.[19]

Gambar 3. Skema rangkaian analog ECT berbasis sinyal AC [10]



lain dari pengukuran kapasitansi berbasis sinyal ACadalah respon sinyal yang cepat.[9,20]. Skemarangkaian ECT berbasis sinyal AC dapat dilihat pada gambar 3.

Selain metoda charge-discharge dan sinyalAC, Sathiyamoorthy et al [14] mengembangan ECT berbasis sinyal pulsa. Dari hasil penelitian,diketahui bahwa pengukuran kapasitansi berbasis pulsa dapat mengurangi level noise (meningkatkanSNR), kebal terhadap stray, dan dapat megukur kapasitansi hingga orde femto Farad (fF). Selain itu,ECT berbasis pulsa tidak membutuhkan offsettegangan dan proses akusisi data yang cepat[14].Skema ECT berbasis sinyal pulsa dapat dilihat padagambar 4.

Sistem ECT biasanya diimplementasikandengan menggunakan metode pemrosesan sinyalanalog. Design metodologi pada sistem ECT ACtelah diakui tingkat keakurasiannya. Namun,dikarenakan karakteristik dari rangkaian analognya,kecepatan akusisi data untuk sistem ECT dengan 12elektroda hanya sampai 150 frame perdetik. Hal inidikarenakan setting time yang lama pada filter low- pass di rangkaian demodulator[10].

Beberapa peneliti [10,21] mengembangkansistem ECT berbasis FGPA untuk meningkatkankecepatan akusisi data dengan mengurangi proporsirangkaian analog pada sistem. Sistem ECT berbasisFPGA meliputi: FPGA ,sistem akusisi data yangterdiri dari interface elektroda, analog multiplexer,ADC dan DAC. Modul signal generator,demodulator dan filter diimplementasikan di dalamFPGA.

Dual modality Tomography

Sistem tomografi modalitas tunggal tidak selalu dapat digunakan pada setiap aplikasisehingga diperlukan penggabungan beberapamodalitas. Tiap sistem tomografi memilikikeunggulan masing-masing, seperti harga yangterjangkau, respon yang cepat, tidak ada radiasi dannon-intrunsif. Tomografi modalitas tunggal

menyediakan solusi yang memuaskan hampir padasetiap aplikasi. Namun, untuk aplikasi yang lebihkompleks, informasi tambahan dibutuhkan untuk memahami proses secara komprehensif. Sistemtomografi dengan modalitas tunggal tidak dapatmeningkatkan resolusi tinggi citra ke distribusikonsentrasi secara penuh dan tidak cukup mampuuntuk mengektrak karakteristik penting dari sistem. Namun penggabungan modalitas satu dengan yanglain berpotensi menimbulkan kesalahan pengukuransebagai akibat terjadinya crosstalk antar duaelektroda yang diletakkan pada cross-section yangsama [1,11].

Tomografi multimodal secara umumdilakukan dengan tiga cara, yaitu: 1) menggabung-kan dua atau lebih perangkat keras sensor tomografike dalam sistem pencitraan tunggal; 2) rekonstruksimenggunakan suatu teknik yang mampumembedakan antara komponen dan fase yang

berbeda berdasarkan penginderaan sinyal, dan 3)menggunakan perangkat keras sensor tunggal untuk mendapatkan sinyal yang berbeda sesuai dengansifat listrik yang berbeda[18].

Ziqiang, et al [11] mengembangkan sistemtomografi dual modalitas ECT/ERT terintegrasidengan menggabungkan elektroda kapasitansi danelektroda resistansi pada cross-section yang samadan mengembangkan sistem akusisi untuk keduasensor tersebut. Penggunaan elektroda kapasitansidan resistansi yang terintegrasi membantumengeliminasi interferensi mutual antar dua

modalitas. Peneliti lain [15] menggembangkansistem dual modalitas ECT/ERT dalam satu platform untuk meningkatkan kecepatan akusisidata dan rekonstruksi citra.

Peneliti lain [1] mengembangkan metodedual modalitas baru dengan cara menggabungkansensor kapasitansi listrik dan sensor optik. Haltersebut bertujuan untuk mendapatkan fusi citradengan resolusi tinggi pada distribusi konsentrasi

Gambar 4. Skema rangkaian analog ECT berbasis pulsa.[14]



penuh ke dalam satu bidang sensor sehinggadiperoleh informasi menyeluruh berdasarkan pengukuran intensitas dan properti dielektrik material.

Penelitian [18] mengembangkan sistemtomografi multimodal dengan menggunakan perangkat keras ECT. Berbeda dengan penggunaanECT tunggal, ECT multimodal menggunakanmedan elektromagnetik quasi yang dihasilkan olehsensor ECT untuk mengukur kapasitansi maupundistribusi permitivitas dan konduktivitas. Tidak seperti EIT yang didasarkan injeksi arus, teknik ECT multimodal tidak membutuhkan kontak langsung sensor ke objek ketika pengukurankonduktivitas (impedansi).

Seperti halnya EIT, ECT multimodalmemiliki potensi untuk dikembangkan dalam bidang medis karena dapat mengukur beberapa parameter jaringan tubuh seperti kapasitansikonduktasi dan permitiditas. Selain itu ECTmultimodal merupakan teknik tomografi yang bersifat non-invansif (tidak berhubungan langsungdengan 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 20092. 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 danAplikasinyadalam Proses Industri", ProsidingSemiloka Teknologi Simulasi dan Komputasi sertaAplikasi, 2005

4. Tyna A Hope, Siân E Iles, "Technology review: Theuse of electrical impedance scanning in the detectionof breast cancer", Breast Cancer Research, Vol 6 No2, 004

5. S. Prasad N, D. Houserkova, J. Campbell, "Breastimaging using 3D electrical impedancetomography", Biomed Pap Med Fac Univ PalackyOlomouc Czech Repub. 2008, 152(1), pp. 151-154,2008

6. Tzu-Jen Kao, G J Saulnier, Hongjun Xia, ChandanaTamma, J C Newell, D Isaacson, "A compensatedradiolucent electrode array for combined EIT andMammography", Physiol Meas. 2007 July ; 28(7):S291–S299

7. M.Solemani,C.N. Mitchell, R. Banasiak, R. Wajman,

Gambar 5. Skema arsitektur ECT dan akusisi data berbasis FPGA.

(a) Elektroda, (b) Modul Data Akusisi, (c) FPGA[10]



A. Adler, "Four Dimensional Electrical CapacitanceTomography 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 ElectricalCapacitance Tomography Data Using a CompleteSensor Model", Progress In Electromagnetics

Research, PIER 100, pp. 219-234, 20109. Fu Wenli, Zhao Jinchuang, Lei Jingjie,

“Development on 3D Electrical CapacitanceTomography Instrument”, Chinese Control andDecision Conference (CCDC 2009), 978-1-4244-2723-9/09/$25.00_c 2009 IEEE

10. Huaxiang Wang, Ziqiang Cui, Yanbin Xu, LifengZhang, Yongbo He, “Digital Signal Processing inElectrical Capacitance Tomography”, 978-1-4244-2342-2/08/$25.00 ©2008 IEEE.

11. Ziqiang Cui, Huaxiang Wang, Yanbin Xu, LifengZhang, “An Integrated ECT/ERT Dual ModalitySensor”, I2MTC 2009 - International

Instrumentation and Measurement TechnologyConference, Singapore, 5-7 May 2009

12. Fei Wang, Qussai Marashdeh, Liang-Shih Fan,Warsito Warsito,“ Review:Electrical CapacitanceVolume 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 SystemFor Breast Cancer Imaging”, IEEE Xplore.

14. S. Sathiyamoorthy, J. Saratchandrababu, “Design of High-Speed Pulse Input Based CapacitanceMeasurement for Electrical Capacitance

Tomography”, Sensors & Transducers Journal,Vol.75, Issue 1, January 2007 , pp.896-903

15. Baoliang Wang, Zhiyao Huang, Haiqing Li, “Designof high-speed ECT and ERT system”, Journal of Physics: Conference Series 147 (2009) 012035doi:10.1088/1742-6596/147/1/012035

16. Luís Augusto Motta Mello, et. al, “Three-Dimensional Electrical Impedance Tomography: ATopology Optimization Approach”, IEEETransactions On Biomedical Engineering, Vol. 55, No. 2, February 2008

17. Cherepenin Et Al., “Three-Dimensional EIT ImagingOf Breast Tissues: System Design And Clinical

Testing”, IEEE Transactions On Medical Imaging,Vol. 21, No. 6, June 200218. Qussai Marashdeh, Warsito Warsito, Liang-Shih Fan,

Fernando L. Teixeira , “A Multimodal TomographySystem Based On ECT Sensors”, IEEE SensorsJournal, Vol. 7, No. 3, March 2007

19. Philip Williams, Trevor York, “Evaluation of Integrated Electrodes for Electrical CapacitanceTomography”, 1st World Congress on IndustrialProcess Tomography, Buxton, Greater Manchester,April 14-17, 1999

20. Gao Yan-li, Zhang Yonggao, “Key Issues inDesigning High-speed Hardware for ElectricalCapacitance Tomography System”, 2009International Forum on Computer Science-Technology and Applications.

21. P. Brzeski Et Al, “Multichannel CapacitanceTomograph For Dynamic Process Imaging”, Opto-Electronics Review 11(3), 175.180 (2003).

dual modality tomography untuk aplikasi medis

Documents