KR20150134476A - Mechanical vibration assisted electrical impedance tomography - Google Patents
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Abstract
Description
생체조직의 전기적 특성을 나타내는 생체 임피던스를 영상화하는 전기임피던스 단층촬영 기법(Electrical Impedance Tomography, EIT)은 의료계의 전기 생리학적 연구와 관련되어 수많은 의공학자 및 수학자들의 중요한 연구 대상이 되어왔다. 생체 조직의 도전율과 유전율은 분자 수준의 성분, 이온의 농도와 이동도, 체액을 구성하는 용매의 양과 상태 등에 따라 변하며, 모두 생체 조직의 기능과 대사에 따라 그 값이 큰 폭으로 변하고 있다. 따라서 EIT 의료영상 기법들은 기존의 기술로는 얻을 수 없는 전혀 다른 유용한 정보를 제공하며, 내부의 구조 뿐 아니라 기능 및 대사의 영상화와 영상 정보를 이용한 생리 현상의 실시간 모니터링을 가능하게 한다. 또한 EIT 의료영상 기법들은 상대적으로 저비용 기법이며 생체 조직에 해를 입히지 않아 영유야, 노약자 및 임산부에도 적용시킬 수 있으며 세포배양의 오랜 기간 관찰기법으로도 사용되어질 수 있다.
Electrical Impedance Tomography (EIT), which images the bioimpedance representing the electrical characteristics of living tissue, has been an important research subject of many physicists and mathematicians in relation to the electrophysiological study of the medical field. The conductivity and the permittivity of living tissue vary depending on the molecular level components, the concentration and mobility of ions, the amount and condition of the solvent constituting the body fluid, and the values vary greatly depending on the function and metabolism of the biotissue. Therefore, EIT medical imaging techniques provide totally different useful information that can not be obtained by existing technology, and it enables real-time monitoring of physiological phenomenon using image and imaging of function and metabolism as well as internal structure. In addition, EIT medical imaging techniques are relatively low-cost techniques and can be applied to Young Yu, elderly people and pregnant women because they do not harm tissue, and they can also be used as a long-term observation technique of cell culture.
기존의 EIT 영상 기법은 내부 단면에서의 해당 물성의 분포를 영상으로 복원하기 위해서 물체에 적절한 저주파 전류를 인가한 뒤, 인가한 물리량이 내부의 해당 물성에 의해 변조되는 현상을 표면 또는 외부에서 측정하고, 이렇게 측정한 데이터로부터 내부의 물성을 영상의 형태로 추출하는 방법이 주로 사용 되었다. 이러한 방법들은 해당 물체의 내부에 어떠한 변화가 발생하기 전의 기준 데이터가 필요한데 이러한 기준 데이터를 얻을 수 없는 경우가 있다. 예를 들어 유방암 조직의 발견이나 기타 신체 내에서의 암세포 조직 발견을 위한 전기임피던스 단층촬영법을 이용한 이미지 복원은 그 참고가 되는 기준 데이터(다른 시간대에서 얻은 병소가 없는 경우의 측정 데이터)가 주어지지 않기 때문에 시간차 데이터를 이용한 전형적인 전기임피던스 단층촬영법의 적용은 불가능 하다. 이를 극복하기 위해 제안된 방법이 바로 여러 주파수에서의 측정 데이터를 이용하는 다주파수 전기임피던스 단층촬영법이다. 그러나 EIT는 본질적으로 측정 데이터가 도전율의 변화에 둔감하고, 측정 대상의 기하적인 구조에 민감하다. 또한 생체조직이 도전율이나 유전율이 주파수에 따라 크게 변하지 않는 물성을 가지고 있을 경우 다주파수 전기임피던스 단층촬영법의 적용이 어려워진다. The existing EIT imaging technique measures the phenomenon that the applied physical quantity is modulated by the corresponding physical properties after applying a low-frequency current to the object in order to restore the distribution of the physical property in the internal section to the image , And a method of extracting the physical properties of the inside of the image from the measured data was mainly used. These methods require reference data before any changes occur in the object, and such reference data may not be obtained. For example, image reconstruction using electrical impedance tomography for the detection of breast cancer tissues or other cancer cells in the body is not provided with reference data (measurement data in the absence of lesions acquired at different time points) Therefore, it is impossible to apply a typical electrical impedance tomography method using time difference data. To overcome this problem, the proposed method is multifrequency electrical impedance tomography using measurement data at various frequencies. However, the EIT is inherently insensitive to changes in conductivity and is sensitive to the geometry of the object being measured. Also, when biological tissue has physical properties such that conductivity and permittivity do not change significantly with frequency, it becomes difficult to apply multifrequency electrical impedance tomography.
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5. E. Lee, Ts. Munkh-Erdene, JK Seo, and EJ Woo, Breast EIT using a new projected image reconstruction method with multi-frequency measurements, Physiological Measurement, 33 (2012), 751.
전기임피던스 단층촬영 기법은 인체 등의 물체에 적절한 저주파 전류를 인가한 뒤, 인가한 전류에 의해 유기된 전압을 표면에서 측정하고, 이렇게 측정한 데이터로부터 내부의 임피던스 또는 도전율 및 유전율 분포를 영상의 형태로 복원하는 기술이다. 여기에는 인가한 전류와 생체조직의 전기적 특성에 관한 물리적 현상의 수학적 해석과 모델링에 해당하는 순문제(forward problem)와 표면에서 측정한 데이터로부터 내부의 물성의 분포를 영상으로 복원하는 문제인 역문제(inverse problem)에 대한 해를 구하는 기술이 필요하게 된다. 이 역문제의 수학적 이론에 관해서는 지난 30년간 수많은 수학자들에 의해 micro-local analysis, 편미분방정식, 복소 해석 이론 등을 통해 그 해법에 관한 많은 결과가 있었다. 그러나 비선형성(nonlinearity), 낮은 민감도(insensitivity) 등에 기인하는 근본적인 기술적 난제와 순문제(forward model)의 모델링 오차 등 많은 문제점들로 인해 영상의 품질이 저하되는 문제가 있다.The electrical impedance tomography technique is to apply a low-frequency current to an object such as a human body, measure the voltage induced by the applied current on the surface, and measure the internal impedance or conductivity and permittivity distribution from the measured data, . This includes the forward problem, which corresponds to the mathematical analysis and modeling of the physical phenomena related to the applied current and the electrical characteristics of the living tissue, and the inverse problem, which is the problem of restoring the distribution of the internal physical properties from the data measured from the surface inverse problem) is needed. As for the mathematical theory of this inverse problem, over the past 30 years, there have been many results of the solution by many mathematicians through micro-local analysis, partial differential equations, and complex analytic theory. However, there are problems in that the quality of the image is deteriorated due to many problems such as fundamental technical difficulties caused by nonlinearity and insensitivity, and modeling errors of a forward model.
외부에서 전류를 주입한 후 측정한 전압 데이터로부터 내부의 전기적 물성 변화를 엄밀하게 정량화하기 위해서는 미분방정식의 수학적 분석이 필요하고, 조화 해석적 접근을 통하여 복소수 해에 대한 이해도를 높이는 것이 필요하다. 또한 Laplace operator의 fundamental solution의 활용을 극대화하여 내부 물성의 변화와 외부 측정 데이터 간의 연결고리를 layer potential이라는 형태로 명확하게 표현해야 한다. 본 발명에서는 기존의 전기임피던스 단층촬영 기법에서는 쓰인 적이 없는 물리적 진동을 통한 내부 물성의 변화를 이용하기 위해서 탄성방정식을 분석하였다. 본 발명에서는 이러한 방법들을 체계화하고 여기에 물리적 진동을 인가하는 방법을 추가해서 새로운 임피던스 단층촬영 기법을 고안하였다. 새로운 방법에서는 외부에서 물리적 진동을 인가해서 내부의 도전율과 유전율을 변하게 하고, 이러한 변화의 전과 후에 측정한 데이터들의 차를 구해 내부의 도전율과 유전율 분포도를 영상화한다. The mathematical analysis of the differential equations is necessary to strictly quantify the changes in the internal electrical properties from the measured voltage data after injecting the current from the outside, and it is necessary to improve the understanding of the complex water solution through the harmonic analysis approach. In addition, the use of the fundamental solution of the laplace operator should be maximized to clearly express the link between the changes in internal properties and external measurement data in the form of layer potential. In the present invention, the elasticity equations are analyzed in order to utilize the change of the internal properties through the physical vibration which is not used in the conventional electric impedance tomography. In the present invention, a new impedance tomography technique is devised by organizing these methods and adding a method of applying physical vibration thereto. In the new method, external physical vibration is applied to change the internal conductivity and permittivity, and the difference between the data measured before and after the change is imaged to image the internal conductivity and permittivity distribution diagram.
본 발명은 물리적 진동과 전류주입 또는 전압인가를 동시에 이용해서 내부의 전기적 물성을 영상화하는 전기임피던스 단층촬영 기법과 이러한 기법을 적용할 수 있는 장치를 다룬다.
The present invention deals with an electrical impedance tomography technique for imaging internal electrical properties using both physical vibration, current injection or voltage application, and devices capable of applying such techniques.
기존의 전기임피던스 단층촬영 기법에서는 기준 데이터가 없을시, 복원된 도전율 영상은 모델링 오차와 측정 오차 등에 의해 매우 부정확해진다. 본 발명은 진동을 이용하여 대상 물체에 도전율 분포의 변화를 인위적으로 발생시켜, 진동 전후 차이 전압 영상을 획득하여 임피던스 영상의 정확성을 높인다.In the conventional electrical impedance tomography, when there is no reference data, the reconstructed conductivity image becomes very inaccurate due to modeling error and measurement error. The present invention artificially generates a change in conductivity distribution on a target object using vibration and acquires a difference voltage image before and after the vibration to improve the accuracy of the impedance image.
복원한 영상에서 알 수 있듯이 본 발명은 내부 도전율이나 유전율의 분포를 검출하는 기술로서 기존에 사용되고 시간차 전기임피던스 단층촬영 기법들에 비해 해상도가 상대적으로 높고 별도의 기준 데이터를 필요로 하지 않는다. 기존에 사용되는 주파수차 전기임피던스 단층촬영 기법에서는 내부 도전율이 주파수에 따라 크게 변해야 하지만 본 발명의 방법은 이러한 조건을 필요로 하지 않는다. 또한 전류주입 또는 전압인가 전극들과 전압측정 전극들을 완전히 분리하여 전극의 수를 다양하게 변경할 수 있고 전극의 배치 또한 다양하게 구성할 수 있다. 이러한 장점들로 인해 본 발명의 방법은 인체뿐만 아니라 전기적 물성을 가지는 여러 가지 물체에 적용하는 것이 가능하므로 의생명학 분야 이외에 지질탐사, 비파괴검사 등 여러 분야에 응용이 가능하다. 또한, 장치의 크기를 축소하면 미세 구조체를 대상으로 본 발명의 방법을 적용하는 것이 가능하다.As can be seen from the reconstructed image, the present invention is a technique for detecting the distribution of internal conductivity and permittivity, which is used in the prior art, has a relatively high resolution and does not require separate reference data as compared with the time difference electrical impedance tomography techniques. In the frequency difference electrical impedance tomography technique used in the prior art, the internal conductivity must vary greatly according to the frequency, but the method of the present invention does not require such a condition. In addition, the current injection or voltage application electrodes and the voltage measurement electrodes can be completely separated to vary the number of electrodes, and the arrangement of the electrodes can be variously configured. Due to these advantages, the method of the present invention can be applied not only to human body but also to various fields such as lipid surveillance and nondestructive inspection, since it can be applied to various objects having electrical properties as well as human body. It is also possible to apply the method of the present invention to a microstructure by reducing the size of the device.
한 쌍 또는 두 쌍 이상의 독립적인 전류 (linearly independent current)를 인가할 수 있고, 주입 전류에 의해 유기된 전압을 측정하는 전극패널과 물체에 기계적인 진동을 발생시키는 장치
도 1,2 와 같이 대상 물체의 표면에 전극패널과 진동장치를 부착한다. 대상물체에 기계적인 진동을 발생시킴과 동시에 두 방향 이상의 전류를 인가하고, 주입전류에 의해 유기된 전압 분포를 전극 패널에서 측정한다. 이때, 측정된 전압은 도전율 분포가 기계적 진동에 의해 변화함에 따라 같이 변하게 된다. 본 발명은 물리적 진동을 가함으로서 내부의 도전율 분포에 변화를 주고, 진동 전후 전압 데이터의 차를 이용해 진동에 따른 도전율 분포의 변화를 이미지화 해내는 전기임피던스 단층촬영 기법이다. 본 발명에서는 진동에 따른 도전율 분포의 변화와 전압 데이터의 관계를 구체화하고, 이를 통해 진동에 따른 도전율 분포의 변화를 영상화하는 알고리즘을 개발하였다. 본 발명은 또한 이 기법을 효과적으로 적용 시키고 기존의 전기임피던스 단층촬영 기법들에 비해 상대적으로 고해상도의 영상을 추출해 낼 수 있는 새로운 구조의 전극 배열을 포함한다.An electrode panel capable of applying a pair or two or more pairs of linearly independent currents, measuring an induced voltage by an injection current, and a device generating a mechanical vibration in the object
As shown in Figs. 1 and 2, the electrode panel and the vibration device are attached to the surface of the object. A mechanical vibration is generated in a target object, a current in two or more directions is applied, and the voltage distribution induced by the injection current is measured in the electrode panel. At this time, the measured voltage changes as the conductivity distribution changes due to the mechanical vibration. The present invention relates to an electrical impedance tomography technique that applies a physical vibration to change the conductivity distribution inside and implements the change of the conductivity distribution according to the vibration using the difference of the voltage data before and after the vibration. In the present invention, the relationship between the change of the conductivity distribution due to the vibration and the voltage data is specified, and an algorithm for imaging the change of the conductivity distribution according to the vibration is developed. The present invention also includes an electrode array of a novel structure that can effectively apply this technique and extract a relatively high resolution image compared to existing electrical impedance tomography techniques.
물체의 표면에 한 쌍 또는 두 쌍 이상의 전류주입 또는 전압인가 전극을 부착하고 이들을 통해 여러 주파수의 정전류 또는 정전압을 인가한다. 본 발명에서는, 이와 동시에 기계적 진동을 인가한다. 유기되는 전압을 측정하기 위해 다양한 형태의 전압측정 용 전극들을 배치한다. 예를 들면, 아래의 그림과 같이 평면배열전극을 부착할 수도 있다. 각각의 전압측정 전극에서 전압을 측정하고 수집된 데이터를 컴퓨터로 전송한다. 컴퓨터는 영상복원 알고리즘을 통해 내부의 도전율과 유전율 분포에 대한 정보를 제공하는 영상을 추출한다. A pair or two or more pairs of current injecting or voltage applying electrodes are attached to the surface of an object and constant current or constant voltage of several frequencies is applied through them. In the present invention, mechanical vibration is applied at the same time. Various types of voltage measurement electrodes are arranged to measure the induced voltage. For example, you can attach a planar array electrode as shown in the figure below. Measure the voltage at each voltage measuring electrode and transfer the collected data to the computer. The computer extracts images that provide information about internal conductivity and permittivity distribution through image reconstruction algorithm.
전기임피던스 단층촬영 기법은 MRI 나 CT에 비해 저비용으로 실시간 측정이 가능하며, 비침습적 이고, 이동성이 좋지만 영상의 공간 해상도가 낮다는 단점이 있다. 이 발명에서 제안하는 장치는 전압측정 전극의 수를 늘림으로써 수집 데이터의 양을 늘려 그 해상도를 높일 수 있다는 장점이 있다. 또한 물리적 진동을 이용하므로 별도의 기준 데이터가 필요하지 않고, 측정 대상 물체의 전기적 물성이 주파수에 따라 크게 변하지 않는 경우에도 적용이 가능하다.Electrical impedance tomography has the disadvantage that it can be measured in real time at low cost compared with MRI or CT, is non-invasive, has good mobility but has low spatial resolution. The apparatus proposed in the present invention has an advantage in that the number of voltage measurement electrodes is increased to increase the amount of collected data to increase the resolution. Further, since the physical vibration is used, it is possible to apply the present invention to a case where no reference data is required and the electrical properties of the object to be measured do not greatly change according to the frequency.
■ 물리적 진동을 이용한 전기임피던스 단층촬영법■ Electrical Impedance Tomography Using Physical Vibration
▷ 원리 ▷ Principle
내부 도전율 분포 영상을 추출하고자 하는 영역을 라고 두고 그 표면을 라 표기하자. 표면에서 만큼의 전류를 주입했을 때 내부영역 에서의 전압 는 The area of the internal conductivity distribution image to extract And that surface Let's say. On the surface When the current is applied to the inner region The voltage at The
의 방정식을 만족한다. 도전율은 로 표시한다. 여기에 물리적 진동 g를 외부에서 가하게 되면 내부영역에서의 변위는 아래의 탄성 방정식을 따른다.≪ / RTI > The conductivity is . Here, when the physical vibration g is externally applied, the displacement in the inner region follows the following elasticity equation.
여기서 는 밀도, 는 진동의 주파수, 와 는 의 물성을 특징지어주는 Lame 변수들이다. 물리적 진동을 가하면 내부 변위에 변화가 생기고 이는 내부 도전율의 분포의 변화()를 야기하고 이때 다시 표면에서 만큼의 전류를 주입하면 내부영역 에서의 전압() 또한 변하여 다음의 식을 만족한다.here The density, The frequency of the vibration, Wow The Are the Lame variables that characterize the properties of. When physical vibration is applied, a change occurs in the internal displacement, which is a change in the distribution of internal conductivity ) And then again on the surface Lt; RTI ID = 0.0 > The voltage at ) Also, the following equation is satisfied.
위의 는 이며 이는 와 같이 근사된다. 따라서 전압측정 전극에서 수집한 전압 데이터인 와 의 차이를 이용해 내부에서의 도전율 분포를 추출하는 영상을 만들게 된다.Over The And . Therefore, the voltage data collected from the voltage measuring electrode Wow The image of the inside conductivity distribution is extracted.
▷ 알고리즘 ▷ Algorithm
- 두 쌍의 전류주입 전극 , 을 통하여 전류를 주입하면 서로 독립적인 두 개의 전압이 발생한다. 진동을 가하기 전의 전압들은 (, )이고, 진동을 가한 후의 전압들은 (, )로 표기한다.- two pairs of current injection electrodes , When the current is injected through the electrodes, two independent voltages are generated. The voltages before applying the vibration are ( , ), And the voltages after applying the vibration are ( , ).
아래 관계를 이용하면Using the relationship
이 전압 데이터들은 다음 식을 만족하게 된다.These voltage data satisfy the following equation.
측정전극()에서의 전압 데이터를 로 두면 측정 영역으로 투영된 의 값은 간단한 다음의 방정식의 해로 얻어진다.Measuring electrode ( The voltage data If projected into the measurement area, Is obtained by the solution of the following simple equation.
요약하면, 진동을 가하기전 수집한 전압 데이터, 진동을 가한 후 전압 데이터를 이용해 우변을 계산하고 아래의 Poisson 방정식을 풀면 투영된 u 의 값을 근사하는 를 얻게 된다.In summary, the voltage data collected before applying the vibration , Voltage data after applying vibration The use of calculating the right side and projected by solving the Poisson equation below u Approximate the value of .
■ 장치 구조■ Device structure
이 장치는 전류 또는 전압을 인가하는 전극과 전압을 측정하는 전극을 분리하여 장치의 복잡도를 낮추고 전압측정 전극의 개수를 제약 없이 늘려 복원 영상의 해상도를 높일 수 있다. 한 쌍 또는 두 쌍 이상의 독립적 경향을 가지는 전류(linearly independent current)를 인가하기 위한 전극들을 배치하고 그 사이에 수십 또는 수백 개 이상의 전압측정 전극들을 배치한다. This device can reduce the complexity of the device by increasing the number of voltage measurement electrodes by increasing the resolution of the restored image by separating the electrode for applying the current or voltage and the electrode for measuring the voltage. Electrodes for applying linearly independent currents of one pair or more than two pairs are arranged and tens or hundreds of voltage measurement electrodes are disposed therebetween.
■ 수치 시뮬레이션 1■ Numerical Simulation 1
첫 번째 수치 시뮬레이션에서는 전류인가 전극을 양쪽 모퉁이에 배치하였다. 물리적인 진동을 위와 왼쪽 그리고 앞쪽에서 각각 가했을 때의 전압차를 이용하여 이 발명에서 제안하는 알고리즘을 써서 내부의 u 의 투영 이미지를 복원하였다. 아래의 그림은 첫 번째 시뮬레이션에서 사용한 측정방법의 개요와 내부의 도전율 분포이다. In the first numerical simulations, current-fed electrodes were placed at both corners. Using a voltage difference between the time each was applied to physical vibration as above from the left and front side of the inside using the algorithm proposed in this invention u The projected image of The figure below shows an overview of the measurement method used in the first simulation and the internal conductivity distribution.
본 발명의 영상복원 알고리즘을 수치 시뮬레이션 데이터에 적용하면 아래와 같은 도전율 영상을 복원하는 것이 가능하다. 진동을 인가하는 방법이 복원 영상의 품질에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.When the image restoration algorithm of the present invention is applied to the numerical simulation data, it is possible to restore the following conductivity image. It can be seen that the method of applying vibration affects the quality of the reconstructed image.
■ 수치 시뮬레이션 2■ Numerical Simulation 2
두 번째 시뮬레이션에서는 전류인가 전극을 네 곳의 모서리에 배치하였다. 마찬가지로 물리적인 진동을 위와 왼쪽 그리고 앞쪽에서 각각 가했을 때의 전압차를 이용하여 이 발명에서 제안하는 알고리즘을 써서 내부의 u 의 투영 이미지를 복원하였다. 아래의 그림은 두 번째 시뮬레이션에서 사용한 측정방법의 개요이다. In the second simulation, the current application electrodes were arranged at four corners. Similarly, by using the voltage difference when each was applied to physical vibration as above from the left and front side of the inside using the algorithm proposed in this invention u The projected image of The following figure is an overview of the measurement method used in the second simulation.
아래의 복원 영상은 인가 전류를 1개에서 2개로 증가하면 복원 영상의 품질이 크게 개선됨을 보여 준다.The reconstructed image below shows that the quality of the reconstructed image is greatly improved by increasing the applied current from one to two.
Ω : 물체 공간
λ, μ : 물체의 성질을 말해주는 탄성방정식 안에서의 Lame 변수
σ : 도전율 분포
v : 전압
u : 물리적 진동에 의한 위치변화Ω: object space
λ, μ: Lame variable in the elasticity equation that tells the properties of the object
σ: conductivity distribution
v: voltage
u : position change due to physical vibration
Claims (3)
It applies physical vibration to various kinds and sizes of objects including the human body and applies electric current or voltage to induce the voltage on the inside and the surface, measures the induced voltage, Electrical Impedance Tomography
Before and after applying physical vibration to various types and sizes of objects with electrical properties including the human body, different voltages induced in the interior and the surface are measured and applied in each case by applying current or voltage. Electrical Impedance Tomography which outputs internal electrical properties in the form of image or signal using difference of voltages
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