Review:Dual Modality Tomography Untuk Aplikasi Medis Donie Agus Ardianto NPM 0906597383 Program Pasca Sarjana Tekn ologi Biomedis Universitas Indonesia Ber bag ai ins tru mentas i tomogr afi tel ah diran cang dan dikembangk an untu k apli kasi baikdalam bidang medis maupun industri. Tomografi di bidang medi s be rper an sangat pent ing untukmendi agno sa suatu peny akit deng an cara melih at "t embus pandang" or ga n da n jari ng an. Mode tomografi yang paling umum dijumpai pada bidang med is antara lain Magn etic Reson ance Imag ing(MRI), X-ray CT-Scan, Pos it ron Emit tedThomography (PET) dan tomograf i ult ras onik. Tomografi juga banyak digunakan di industri untukmemonitoring 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 kecep atan scanning yang cukup tinggi dan harg a yang relatif murah [2]. Beber apa mode tomografi ya ng dikemban gkan anta ra lai n ElectricalImped anc e T omo gra phy (EIT), ElectricalCapacitance T omography (ECT), dan ElectricalResi stan ce T omog raph y (ERT)[1,2,3]. Selain di gunakan di Indust ri , beberapa pe neliti te lah menge mbang kan tomog rafi list rik untu k aplik asi medis[4,5,6]. Elec trica l Imped ance T omog raph y (EIT) / Electrical Resistance Tomograph y (ERT). EIT merupakan teknik untuk memper ki rakan distri busi impedans i di dala m domai n berda sarkan pengu kuran pada permu kaan obj ek [1 4] . EIT me rek ons tr uksi di str ib us i konduktivitas internal dari suatu objek berdasarkan injeksi arus dan pengukuran tegangan di permukaan obj ek[ 11,16]. Beb era pa pen eli tia n men unj ukk an EIT da pa t mendet eksi kanker pa yu dara da n memberikan informasi yang cukup akurat mengenai p er be daan ja ri ng an payuda ra da n ja ringan kanker[5,6,13,17]. S. Ga ng Ye, et. al [13] mengembangka n sistem EIT tiga dimensi untuk mendeteksi kankerpayudar a yang terdir i dari 128 el ek tro da yang disusun membentuk kerucut. Penelitian [13] dapat mengukur konduk tifi tas dan resi st ivit as dari ph ant om pad a fre kue ns i 10k Hz. Dia gra m sis tem da n kons tr uksi se ns or EI T da pa t di li hat pa da gambar 1. Has il pen guji an secara in-v it ro menunj ukkan bahwa EIT dapat membedakan konduktivitas ataup un resi stiv itas jarin gan kank erdan jaringan lainny a [6,17 ] dan dapat digu nakan un tu k me nd et ek si ka nk er pa yu da ra de ng an sensitivitas sekitar 77.8%[5]. Electrical Capacitance Tomography (ECT) Tomografi kapasitansi listrik (ECT) adalah teknik penci traan non-i nvas if dan non-d estru ktifyang men ggunakan pengukuran kapasitansi listrikdi pin ggi r ob je k unt uk mengh as il ka n pe ta pe rmi tiv ita s die lek tri k obj ek. ECT vol ume tri kmeru pa ka n metode ba ru ya ng menimbul kan tantangan komputasi besar dalam rekonstruksi citra Gambar 1. Skema sistem EIT dan konstruksi sensor .[13]
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
5/8/2018 Dual Modality Tomography Untuk Aplikasi Medis - slidepdf.com
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]
5/8/2018 Dual Modality Tomography Untuk Aplikasi Medis - slidepdf.com
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]
5/8/2018 Dual Modality Tomography Untuk Aplikasi Medis - slidepdf.com
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]
5/8/2018 Dual Modality Tomography Untuk Aplikasi Medis - slidepdf.com
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",
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]
5/8/2018 Dual Modality Tomography Untuk Aplikasi Medis - slidepdf.com
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
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).