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문제 정의
- 발생요인을 제거하였다. 대신 각 채널의 전극으로 전류를 인가하기 위한 스위 칭 시스템을 제 안하여 전류주입 방법 의 다양성을 유지하고자 하였다. 또한 FPGA를 이용하여 디지털방식으로 전류파형을 생성함으로써 전류의 크기와 모양 그리고 주파수를 임의로 변경하는 것이 가능하도록 제작하였다.
- 네트워크를 설계하였다. 본 논문에서는 이러한 EIT 시스템의 설계 및 구현내용과 성능검증의 결과를 기술한다.
- 일반적으로 전극의 개수를 증가시 키 면 복원하는 영상의 해상도를 개선하는 것이 가능하나 이에 수반하는 계측오차의 증가는 영상의 정확도를 낮추게 된다. 본 논문에서는 일단 16채널의 EIT 시스템을 제작하는 것을 목표로 하였고 성능의 평가 후 채널의 증가가 가능하도록 설계하였다. 주입전류의 최대 크기는 1mAp로 하였고, 이는 50KHz의 주파수에서 안전하게 주입할 수 있는 크기이다[4].
- 표1과 같은 사양을 갖는 EIT 시스템의 설계에서 가능한 많은 부분을 디지털 방식으로 구현하여 아날로그 형태의 시스템에 비해 그 성능과 안정성을 높이는 것을 목적으로 하였다. EIT 시스템 의 주요 사양인 전극의 개수는 16개로 정 하였다.
제안 방법
- 12-bit의 ADC 값과 16-bit의 sine 및 cosine 데이터와의 연산으로 인한 오버플로우(overflow)를 방지하기 위해 38-bit 연산구조로 곱셈기를 설계하였으며, 필요에 따라 정확도를 달리 하기 위해 16-bit 또는 32-bit의 데이터 전송이 가능하도록 제작하였다. 또한, 잡음이 많은 상황에 대비하여 프로그램에 의해 선택 적으로 신호 평균화(signal averaging)를 2, 4, 8, 16, 32 및 64번 할 수 있도록 제작하였다.
- 보여준다. 16채널 EIT 시스템을 구성하고, 그림과 같은 팬텀내에 용액에 비하여 저항률이 두 배 차이가 나는 바나나를 원통형으로 잘라 위치를 4가지로 바꿔가며 데이터를 수집하였다. 수집한 데이터를 영국 UCL(University College London)의 EIT 연구팀이 사용하는 영상복원 알고리즘에 적용하여 그림 13과 같은 EIT 영상을 복원하였다.
- 주입전류의 최대 크기는 1mAp로 하였고, 이는 50KHz의 주파수에서 안전하게 주입할 수 있는 크기이다[4]. 가능한 일정한 크기의 전류를 인체에 주입하기 위해 정전류원의 출력임피던스를 64MQ 이상이 되도록 설계하였으며, 또한 출력전류를 실측할 수 있는 전류 모니터링부분을 제작하여 주입전류의 크기를 영상복원 알고리즘에 입력할 수 있도록 하였다.
- 기존의 아날로그 방식의 파형 발생기 및 복조기를 대신하여 FPGA기반의 디지털 파형발생기와 디지털 위상감응복조기를 포함하는 EIT 시스템을 설계 및 제작하였다. 일정한 크기와 위상의 전류 주입을 위해 출력 임피던스 보정회로가 포함된 개선된 Howland 전압-전류 변환기를 제작하고 그 성능을 검증하였다.
- 따라서 출력 임피던스를 크게 하기 위하여 전압-전류 변환회로에 보정회로를 추가하였다. 이러한 보정과정을 자동으로 하기 위하여 저항비의 일치를 위한 부분과 누설 커패시턴스를 제거하는 회로에 디지털 가변저항을 사용하였다.
- 대신 각 채널의 전극으로 전류를 인가하기 위한 스위 칭 시스템을 제 안하여 전류주입 방법 의 다양성을 유지하고자 하였다. 또한 FPGA를 이용하여 디지털방식으로 전류파형을 생성함으로써 전류의 크기와 모양 그리고 주파수를 임의로 변경하는 것이 가능하도록 제작하였다.
- 또한 다양한 영상복원 알고리즘을 적용할 수 있도록 전압측정도 기준전극에 대한 각 전극의 전압을 측정하는 방법과 인접 전극 사이의 전위 차를 측정 하는 방법이 모두 가능하도록 스위칭 네트워크를 설계하였다. 본 논문에서는 이러한 EIT 시스템의 설계 및 구현내용과 성능검증의 결과를 기술한다.
- 본 논문에서는 복원영상의 질을 높이기 위해 기존의 시스템에서 오차의 원인이 되었던 아날로그 복조기 부분을 디 지털로 구현하고, 입력 전류를 디지털 방식으로 생성함으로써 보다 정확한 정전류원과 전압측정기를 갖는 EIT 시스템을 설계 및 구현하였다. 또한 다양한 영상복원 알고리즘의 구현과 측정 방법을 실험 해 보기 위해 다양한 방법으로 전류를 주입하는 것이 가능하도록 스위 칭 시스템을 설계하였다.
- 각 채널의 디지털 위상감응복조기는 DSP의 외부 장치로 인식되며, 복조된 동상성분과 직교성분의 값들은 DSP의 I/O 맵 상에 위치하는 외부 메모리 접속방식으로 DSP에 연결된다. 또한 측정 데이터의 잡음을 감소시키기 위해 DSP에서 여러 번의 복조된 결과 값들을 평균할 수 있도록 하였다. 주제어기와 PC 사이의 데이터 교환은 유선의 RS-232방식 이 나 무선의 Bluetooth 1.
- 또한, 잡음이 많은 상황에 대비하여 프로그램에 의해 선택 적으로 신호 평균화(signal averaging)를 2, 4, 8, 16, 32 및 64번 할 수 있도록 제작하였다.
- 본 논문에서 설계하고 제작한 EIT 시스템은 복원알고리즘의 수행과 데이터 획득과정을 제어하는 컴퓨터부, 정확한 전류를 인체로 주입하는 정전류원부, 이로 인해 유기된 전압을 각전극을 통해 측정하는 전압측정부, 정 전류원부의 성능을 높이고 이를 보정하는 보정회로부, 그리고 컴퓨터와의 연결을 위한 주제어부로 구성하였으며, 필요에 따라 쉽게 채널의 수를 늘릴 수 있도록 모듈형 설계를 적용하였다.
- 그러나 이는 파형의 왜곡과 위상 지연을 발생하여 전체적인 시스템의 성능을 저하시킨다. 본 논문에서는 PC로부터 전달되는 진폭 값을 FPGA 내부에 저장하고 이에 의해 DAC의 기준전압을 변경하여 출력 전압의 크기를 변화시킨다. 또한 전압 파형에 해당하는 디지털 값을 출력하는 FPGA 내부 롬 데이터를 변경하면 정현파 이외의 파형을 그림 4와 같이 출력 할 수 있다.
- 이때 인체표면에서 측정되는 전류-전압 데이터의 양과 정확도는 복원되는 영상의 해상도와 정확도를 결정한다. 본 논문에서는 복원영상의 질을 높이기 위해 기존의 시스템에서 오차의 원인이 되었던 아날로그 복조기 부분을 디 지털로 구현하고, 입력 전류를 디지털 방식으로 생성함으로써 보다 정확한 정전류원과 전압측정기를 갖는 EIT 시스템을 설계 및 구현하였다. 또한 다양한 영상복원 알고리즘의 구현과 측정 방법을 실험 해 보기 위해 다양한 방법으로 전류를 주입하는 것이 가능하도록 스위 칭 시스템을 설계하였다.
- 계단모양의 형태를 갖는다. 본 논문에서는 위상지연이 없는 수동 대 역통과필터를 사용하여 그림 3과 같이 고주파수 성분을 감쇄시키고 50KHz의 정현파를 출력하였다
- 또한 표1에서와 같이 ±lmAp의 출력전류를 제공하여야 한다. 본 논문에서는 전력소모를 줄이고 필요에 따라서는 ±lmAp 보다 더 큰 전류를 출력할 수 있도록 개선된 Howland 전압-전류 변환기를 사용하였으며, 이는 그림 5와 같다. 개선된 Howland 전압-전류 변환기에서 출력 전류는 식 (1)과 같이 주어 진다[6].
- 본 논문에서는 하나의 정 밀 정 전류원을 스위 칭하여 사용함으로써 여러 개의 정전류원들이 가지는 특성의 차에 의한 오차의 발생요인을 제거하였다. 대신 각 채널의 전극으로 전류를 인가하기 위한 스위 칭 시스템을 제 안하여 전류주입 방법 의 다양성을 유지하고자 하였다.
- 부호화되어 있지 않은 A/D 변환 값을 부호화하여 2의 보수 형태로 변형 하고, 미리 저 장된 sine과 cosine 데 이 터를 이용하여 부호화 곱셈 (signed multiply)을 수행 한다. 이때 FPGA 내부의 지연과 각 데이터 값에 따른 곱셈기의 지연오차를 고려하여, 가장 안정된 위치에서 값이 읽히도록 한다.
- 연산 증폭기를 이용하여 이득이 4 ~ 10000으로 가변되는 계측용 증폭기를 구현하였다. 전극에서의de 접촉전위를 제거하기 위해 고역통과필터를 함께 장착하고, 큰 신호와 작은 신호를 모두 측정할 수 있도록 이득을 제어하기 위해서 디지털 가변저항을 추가하였다.
- 보정회로를 추가하였다. 이러한 보정과정을 자동으로 하기 위하여 저항비의 일치를 위한 부분과 누설 커패시턴스를 제거하는 회로에 디지털 가변저항을 사용하였다.
- 전압측정기가 기준전극에 대한 타 전극의 전압 또는 인접한 전극 사이의 전위차를 측정하려면 각각의 경우에 대한 입력전압의 범위가 다르므로 계측용 증폭기의 이득을 가변할 수 있도록 하여야 한다. 이러한 이득의 제어는 디지털 가변저항(AD5201, Analog Device 사, 미국)을 사용하여 구현하였다.
- 일정한 크기와 위상의 전류 주입을 위해 출력 임피던스 보정회로가 포함된 개선된 Howland 전압-전류 변환기를 제작하고 그 성능을 검증하였다. 이러한 주입전류에 의해 유기되는 표면전압들을 16채널의 전극 및 디지털 전압측정기로 측정하였다. 시간차 샘플링을 이용하여 A/D변환된 데이터는 디지털 위상감응복조기에 의해 동상성분과 직교성분의 값이 구해진다.
- 이러한 파형 발생 기는 초기 단계부터 EIT 시스템의 성능을 저하시키는 요인이 되어왔다. 이를 개선하기 위해 FPGA를 기반으로 HDL(hardware description language)을 사용한 디지털 합성파형발생 기를 설계하였다[5].
- 계측용 증폭기를 설계하여야 한다. 이를 위해 고속 연산증폭기 (AD8039, Analog Device 사, 미국) 두 개와 한 개의 차동증폭기 (AD8130, Analog Device 사, 미국)를 가지고 계측용증폭기를 설계, 제작하였다.
- 샘플링(non-uniform sampling) 기법을 적용하였다. 이를 통하여 전체적인 전압측정기의 SNR이 104dB 이상이 유지되도록 설계, 제작하였다.
- 따라서 각 채널 별로복조기의 성능을 일치시키기 위한보정과정에 많은 노력과 시간을 필요로 하였다. 이와 같은 아날로그 방식의 복조기가 갖는 단점을 제거하고, 위상감응복조 결과가 높은 SNR(signal-to-noise ratio)을 가지면서도 빠르게 측정하기 위해, FPGA(field programmable gate array)를 이용하여 각 채널 별로 디지털 위상감응 복조기를 설계하고, 이를 구현하여 그 성능을 검증하였다.
- 사용하였다. 인접한 채널간의 전위차와 기준전위에 대한 전위차를 모두 측정할 수 있도록 그 입력을 제어하는 스위칭부를 구성하였다. 전체적인 시스템의 구조는 그림 1과 같다.
- EIT 시스템을 설계 및 제작하였다. 일정한 크기와 위상의 전류 주입을 위해 출력 임피던스 보정회로가 포함된 개선된 Howland 전압-전류 변환기를 제작하고 그 성능을 검증하였다. 이러한 주입전류에 의해 유기되는 표면전압들을 16채널의 전극 및 디지털 전압측정기로 측정하였다.
- 제거해야 한다. 저항 비를 일치시키기 위해 디지털 가변저 항(DS1267, Dallas 사, 미국)을 이용하여 미 세 조정 하고, 출력커패시턴스를 제거하기 위해서는 GIC(general impedance converter) 회로를 사용하여 LC공진으로 커패시턴스 성분을 제거하였다. 보정회로의 구성도는 그림 6과 같다.
- 증폭기를 구현하였다. 전극에서의de 접촉전위를 제거하기 위해 고역통과필터를 함께 장착하고, 큰 신호와 작은 신호를 모두 측정할 수 있도록 이득을 제어하기 위해서 디지털 가변저항을 추가하였다. 또한 측정된 ADC 값으로부터 입력신호가 ADC범의 입력범위 내에 있는지를 확인하여 그 이득을 자동으로 조정하여 최적의 A/D변환을 할 수 있는 자동이득 조정기(AGC, automatic gain control)를 FPGA내에 구현하여 ADC에서 발생할 수 있는 정확도의 손실을 최소화 하였다.
- 주입전류의 모니터링에는 직렬저항 양단의 전압을 측정하는 방법을 사용하였다. 전압의 측정에는 뒤에서 기술하는 각 전극에 유기된 전압을 측정하는 방법을 그대로 적용하였다.
- 전압의 측정에서는 높은 정밀도를 갖는 위상감응복조기(phase-sensitive demodulator)를 사용하여 생체 임피던스의 동상(in-phase)성분과 직교(quadrature)성분을 모두 측정하였다. 기존의 연구들에서는 아날로그 방식의 복조기를 사용함으로써 아날로그 곱셈기가 갖는 문제로 인해 높은 정밀도를 갖는 복조기를 구현할 수 없었고, 각 채널 별로 제작된 전압측정기들 사이의 특성 차이로 인하여 동일한 동작특성을 가지는 여러 채널의 전압측정기들을 제작하는 것이 어려웠다.
- 전압측정의 정확도를 나타내는 전압측정기의 SNR 은 104dB가 되도록 설계하였고, 빠른 영상획득 속도를 얻기 위해각 채널 별로 제작되는 전압측정기는 FPGA를 이용한 디지털위상감응복조기를 사용하였다. 인접한 채널간의 전위차와 기준전위에 대한 전위차를 모두 측정할 수 있도록 그 입력을 제어하는 스위칭부를 구성하였다.
- 정전류원이 64MQ의 출력 임피던스를 갖기 위해서는 그림5의 회로에서 저항 비를 0.039% 정도로 일치시켜야 하고, 전극과의 연결을 위한 배선 상에 존재하는 커패시턴스를 제거하기 위해서 GIC회로를 이용하였다. 출력 전압의 동상성분과 직교성분의 크기를 가지고 정전류원의 출력 임피던스 값을 계산하여 임피던스의 실수값은 크게, 허수값은 작게 되는 방향으로 디지털 가변저항을 조정한다.
- 이때 A/D 변환된 데이터들의 순서는 바뀌게 되나, 이 후단의 복조기 설계 시 이를 고려하면 낮은 속도의 ADC* 가지고도 신호평균의 효과에 의해 원하는 정 확도를 얻을 수 있는 것이다. 주기 별로 일정 시간간격으로 클럭을 지연시키기 위해 그림 9와 같이 FPGA를 사용하여 클럭 발생회로를 구현하였다.
- 그림 6의 보정회로는 작은 값의 직렬저항 (Rm) 과 계측용 증폭기 (IA, instrumentation amplifier), ADC 등으로 구성 되는 주입 전류 모니터링부를 포함한다. 주입전류의 모니터링에는 직렬저항 양단의 전압을 측정하는 방법을 사용하였다. 전압의 측정에는 뒤에서 기술하는 각 전극에 유기된 전압을 측정하는 방법을 그대로 적용하였다.
- 추가적으로 정 전류원 보정 (calibration) 회로에 의해 정 전류원의 출력 임피던스를 가능한 크게 조정하고, 또한 출력되는 전류를 모니터 링하는 측정부를 추가하여 주입하는 전류의 실제값을 영상복원 알고리즘에 대 입함으로써 가능한 한 시스템의 정확도를 높이도록 설계 및 구현하였다.
- 039% 정도로 일치시켜야 하고, 전극과의 연결을 위한 배선 상에 존재하는 커패시턴스를 제거하기 위해서 GIC회로를 이용하였다. 출력 전압의 동상성분과 직교성분의 크기를 가지고 정전류원의 출력 임피던스 값을 계산하여 임피던스의 실수값은 크게, 허수값은 작게 되는 방향으로 디지털 가변저항을 조정한다. 보정의 과정을 거친 후, 정전류원의 출력 임피던스는 저주파에서는 1GQ 이상이나 50KHz에서는 3.
대상 데이터
- SNR이 104dB 이상이 되도록 하기 위해 한 주기 당 200개씩, 총 8주기를 시간차 샘플링하여 총1600개의 데이터를 획득하였다. FPGA를 사용한 디지털 위상감응복조기는 90dB의 SNR과 고정된 위상오차를 갖는 것을 확인하였다.
이론/모형
- 본 논문에서는 10MHz로 샘플링하는 12-bit ADC(AD9235, Analog Device 사, 미국)를 사용하면서도 SNR을 향상시켜서 16-bit의 ADC* 사용한 효과를 거두기 위해 그림 8과 같은 시간차 샘플링(non-uniform sampling) 기법을 적용하였다. 이를 통하여 전체적인 전압측정기의 SNR이 104dB 이상이 유지되도록 설계, 제작하였다.
- 16채널 EIT 시스템을 구성하고, 그림과 같은 팬텀내에 용액에 비하여 저항률이 두 배 차이가 나는 바나나를 원통형으로 잘라 위치를 4가지로 바꿔가며 데이터를 수집하였다. 수집한 데이터를 영국 UCL(University College London)의 EIT 연구팀이 사용하는 영상복원 알고리즘에 적용하여 그림 13과 같은 EIT 영상을 복원하였다. 동상성분 데이터를 사용한 영상에서는 바나나의 위치와 모양을 보다 정확하게 보여주고 있으며, 직교성분 데이터를 사용한 영상들에는 좀 더 큰 오차를 보여준다.
- 또한 측정 데이터의 잡음을 감소시키기 위해 DSP에서 여러 번의 복조된 결과 값들을 평균할 수 있도록 하였다. 주제어기와 PC 사이의 데이터 교환은 유선의 RS-232방식 이 나 무선의 Bluetooth 1.1 을 사용하였다.
성능/효과
- FPGA를 사용한 디지털 위상감응복조기는 90dB의 SNR과 고정된 위상오차를 갖는 것을 확인하였다. 설계치인 104dB보다 낮은 SNR을 얻게 된 것은 디지털부에서 발생한 스위칭 잡음의 영향으로 향후의 연구에서 개선이 필요한 것으로 판단된다.
- 그러나 계측용증폭기를 이용하여 측정된 전압은 외부의 전원이나 전극을 연결하는 케이블을 통해 유입되는 잡음을 포함하고 있어 이를 제거하기 위한 필터의 구성이 요구되며, 필터를 통과할 시 신호는 위상이 지연된다. 따라서 본 시스템에서는 전원이나 케이블에서 유입되는 잡음을 케이블단에서 최소한으로 줄이고, 0의 위상지연을 가지는 수동필터를 사용하여 신호가 왜곡되 거나, 지 연되는 것을 감소시켰다.
- 그러나 이러한 복잡한 구조는 신호의 간섭으로 인해 시스템의 전체 특성을 저하시키는 결과를 갖게 되었다. 따라서 인 접전극들 사이의 전위 차 만을 측정하는 것으로 측정방법을 제한하는 것이 작은 저항률의 변화를 검출하기에 용이하며 또한 스위칭 회로를 단순화하여 측정의 정확도를 개선할 수 있음을 확인하였다. 또한 여러 개의 정전류원을 이용하여 시스템을 구동하는 방식을 택하지 않고 하나의 정전류원과 최소한의 스위칭 회로에 의해 이와 동일한 결과를 얻는 것이 정전류원들 사이의 특성의 불일치에 기인하는 오차를 제거할 수 있음을 보였다.
- 따라서 인 접전극들 사이의 전위 차 만을 측정하는 것으로 측정방법을 제한하는 것이 작은 저항률의 변화를 검출하기에 용이하며 또한 스위칭 회로를 단순화하여 측정의 정확도를 개선할 수 있음을 확인하였다. 또한 여러 개의 정전류원을 이용하여 시스템을 구동하는 방식을 택하지 않고 하나의 정전류원과 최소한의 스위칭 회로에 의해 이와 동일한 결과를 얻는 것이 정전류원들 사이의 특성의 불일치에 기인하는 오차를 제거할 수 있음을 보였다.
- 전극에서의de 접촉전위를 제거하기 위해 고역통과필터를 함께 장착하고, 큰 신호와 작은 신호를 모두 측정할 수 있도록 이득을 제어하기 위해서 디지털 가변저항을 추가하였다. 또한 측정된 ADC 값으로부터 입력신호가 ADC범의 입력범위 내에 있는지를 확인하여 그 이득을 자동으로 조정하여 최적의 A/D변환을 할 수 있는 자동이득 조정기(AGC, automatic gain control)를 FPGA내에 구현하여 ADC에서 발생할 수 있는 정확도의 손실을 최소화 하였다. 대 역통과 필터는 위상 지연이나 위상 왜곡을 줄이기 위해 수동필터를 사용하였고, 대 역폭은5 ~ 500KHz가 되도록 하였다.
- 4% 정도로 설계형태에 따라 약간 다른 결과를 보였다. 본 논문에서 구현한 디지 털 합성 파형발생 기 의 경우, 안정 성은 0.022%, THD는 0.0029%의 결과를보였다.
후속연구
- 추진할 예정이다. 또한 본 논문의 EIT 시스템은 16채널로 제작하였으나 모듈형으로 설계하여 쉽게 채널의 수를 늘릴 수 있는 장점을 가지고 있어서, 향후 64채널 디지털 EIT시스템을 제작하고 3차원적인 EIT 영상을 실시간으로 출력하는 연구를 수행하는 것이 과제이다.
- FPGA를 사용한 디지털 위상감응복조기는 90dB의 SNR과 고정된 위상오차를 갖는 것을 확인하였다. 설계치인 104dB보다 낮은 SNR을 얻게 된 것은 디지털부에서 발생한 스위칭 잡음의 영향으로 향후의 연구에서 개선이 필요한 것으로 판단된다. 고정 된 위 상오차는 후처리 과정에서 보상이 가능하다.
- 앞으로는 입력 전류의 주파수를 변화시 켜 가면서 주파수에 따른 임피던스의 변화를 관찰할 수 있는 다주파수 EIT 시스템의 개발을 추진할 예정이다. 또한 본 논문의 EIT 시스템은 16채널로 제작하였으나 모듈형으로 설계하여 쉽게 채널의 수를 늘릴 수 있는 장점을 가지고 있어서, 향후 64채널 디지털 EIT시스템을 제작하고 3차원적인 EIT 영상을 실시간으로 출력하는 연구를 수행하는 것이 과제이다.
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