Design and Implementation of Digital Electrical Impedance Tomography System

Different biological tissues have different values of electrical resistivity. In EIT (electrical impedance tomography), we try to provide cross-sectional images of a resistivity distribution inside an electrically conducting subject such as the human body mainly for functional imaging. However, it is well known that the image reconstruction problem in EIT is ill-posed and the quality of a reconstructed image highly depends on the measurement error. This requires us to develop a high-performance EIT system. In this paper, we describe the development of a 16-channel digital EIT system including a single constant current source, 16 voltmeters, main controller, and PC. The system was designed and implemented using the FPGA-based digital technology. The current source injects 50KHz sinusoidal current with the THD (total harmonic distortion) of 0.0029% and amplitude stability of 0.022%. The single current source and switching circuit reduce the measurement error associated with imperfect matching of multiple current sources at the expense of a reduced data acquisition time. The digital voltmeter measuring the induced boundary voltage consists of a differential amplifier, ADC, and FPGA (field programmable gate array). The digital phase-sensitive demodulation technique was implemented in the voltmeter to maximize the SNR (signal-to-noise ratio). Experimental results of 16-channel digital voltmeters showed the SNR of 90dB. We used the developed EIT system to reconstruct resistivity images of a saline phantom containing banana objects. Based on the results, we suggest future improvements for a 64-channel muff-frequency EIT system for three-dimensional dynamic imaging of bio-impedance distributions inside the human body.

디지털 임피던스 영상 시스템의 설계 및 구현

인체내부의 각 조직은 서로 다른 저항률(resistivity)분포를 가지며, 조직의 생리학적, 기능적 변화에 따라 임피던스가 변화한다. 본 논문에서는 주로 기능적 영상을 위한 임피던스 단층촬영 (EIT, electrical impedance tomography) 시스템의 설계와 구현 결과를 기술한다. EIT 시스템은 인체의 표면에 부착한 전극을 통해 전류를 주입하고 이로 인해 유기되는 전압을 측정하여, 내부 임피던스의 단층영상을 복원하는 기술이다. EIT 시스템의 개발에 있어서는 영상복원의 난해함과 아울러 측정시스템의 낮은 정확도가 기술적인 문제가 되고 있다. 본 논문은 기존 EIT 시스템의 문제점을 파악하고 디지털 기술을 이용하여 보다 정확도가 높고 안정된 시스템을 설계 및 제작하였다. 크기와 주파수 및 파형의 변화 가능한 50KHz의 정현파 전류를 인체에 주입하기 위해 필요한 정밀 정전류원을 설계하여 제작한 결과, 출력 파형의 고조파 왜곡(THD, total harmonic distortion)이 0.0029%이고 진폭 안정도가 0.022%인 전류를 출력 할 수 있었다. 또한, 여러개의 정전류원을 사용함으로써 채 널간 오차를 유발하던 기존의 시스템을 변경하여, 하나의 전류원에서 만들어진 전류를 각 채널로 스위칭하여 공급함으로써 이로 인한 오차를 줄였다. 주입전류에 의해 유기된 전압의 정밀한 측정을 위해 높은 정밀도를 갖는 전압측정기가 필요하므로 차동증폭기, 고속 ADC및 FPGA(field programmable gate array)를 사용한 디지털 위상감응복조기 (phase-sensitive demodulator )를 제작하였다. 이때 병렬 처리를 가능하게 하여 모든 전극 채널에서 동시에 측정을 수행 할 수 있도록 하였으며, 제작된 전압측정기의 SNR(signal-to-noise ratio)은 90dB 이다. 이러한 EIT 시스템을 사용하여 배경의 전해질 용액에 비해 두 배의 저항률을 가지는 물체(바나나)에 대한 기초적인 영상복원 실험을 수행하였다. 본 시스템은 16채널로 제작되었으나 전체를 모듈형으로 설계하여 쉽게 채널의 수를 늘릴 수 있는 장점을 가지고 있어서 향후 64채널 이상의 디지털 EIT시스템을 제작할 계획이며, 인체 내부의 임피던스 분포를 3차원적 으로 영상화하는 연구를 수행 할 예정이다.