The electrical impedance tomography (EIT) is emerging imaging technique which has no ionizing radiation and makes continuous monitoring available. Moreover, EIT device can be made very small and has very low cost to use. With the increasing demand of the wearable healthcare system, EIT can be widely used for various applications. In this work, two kinds of EIT SoC and systems are designed and implemented for wearable healthcare applications.
The first EIT system is proposed for breast cancer detection. To assemble the entire system into a simple brassiere shape, EIT SoC is integrated via a multi-layered fabric circuit board which includes 90 EIT electrodes and two reference electrodes for current stimulation and voltage sensing. The SoC supports three operating modes; gain scanning, contact impedance monitoring, and EIT modes for the clear EIT image. A differential sinusoidal current stimulator (DSCS) is proposed for injection of low-distortion programmable current which has harmonics less than 59 dBc at a load impedance of 2 kΩ. To get high sensitivity, a 6-channel voltage sensing amplifier can adaptively control the gain up to a maximum of 60 dB, and has low input referred noise, 36 nV/ Hz. The 2.5 × 5 mm chip is fabricated in a 0.18 μm 1P6M CMOS process and consumes 53.4 mW on average. As a result, a sensitivity of 4.9 mΩ is achieved which enables the detection of a 5 mm cancer mass within an agar test phantom.
The second EIT system is proposed for the portable real-time lung ventilation monitoring. The EIT SoC is integrated into belt-type fabric system with 32 electrodes and can show the dynamic images of the lung ventilation on the mobile devices. To get high fidelity images, a T-switch is adopted for high off-isolation between electrodes more than 60 dB, and I/Q signal generation and demodulation can obtain both real and imaginary part of images. For the real-time imaging, an on-chip fast demodulation scheme is proposed, and it can also reduce speed requirements of ADC for low-power consumption. The proposed EIT SoC of 5.0 mm × 5.0 mm is fabricated in 0.18 μm CMOS technology, and consumes only 10.4 mW with 1.8 V supply. The proposed system is fully implemented and verified on both in-vitro and in-vivo tests. As a result, EIT images were reconstructed with 97.3% of accuracy and up to 20 frames/s real-time lung images can be displayed on the mobile devices.
본 논문은 웨어러블 헬스케어를 위한 전기 임피던스 단층촬영 (EIT, Electrical impedance tomography) SoC 및 시스템에 관한 것이다. 천에 전극을 구현하는 기술을 이용하여 기존의 EIT 시스템이 가지고 있던 불안정하고 불편한 전극 인터페이스를 안정적으로 하고, EIT SoC를 구현하고 천으로 된 시스템에 집적하여 초소형 시스템을 구현했다. 또한 전극 가까이에 칩이 집적되어 pre-processing이 완료된 디지털 신호만이 긴 선을 통해 전달되기 때문에 잡음 문제 또한 해결 가능함을 보였다. 이러한 EIT SoC 및 시스템 두 가지가 제안되었다.
첫째로, 유방암 조기 진단을 위한 EIT SoC와 웨어러블 시스템을 제안했다. 이 시스템을 위해 제안된 EIT SoC의 current stimulator는 0.2% 이내의 낮은 total harmonic distortion을 보이고, adaptive gain control 기능을 가지는 analog front-end를 통해 최소 4.9mΩ의 임피던스 차이를 센싱할 수 있다. 전체 시스템은 천에 전극을 구현하고 EIT SoC를 집적하여 사용자가 입기 편리한 브래지어 형태로 구현되었고, 모바일 기기에 연결하여 3D 이미징 결과를 볼 수 있도록 했다. 결과적으로 5mm까지의 초기 유방암을 발견할 수 있는 sensitivity를 가지는 유방암 조기 진단용 EIT 시스템을 제안하여 굳이 병원에 가지 않고도 집에서 과학적인 방법으로 조기 자가진단이 가능하도록 했다.
둘째로, 폐 환기 모니터링을 위한 EIT SoC와 웨어러블 시스템을 제안했다. 이 시스템을 위한 EIT SoC는 I/Q signaling을 통해 phase 정보까지 센싱하여 더 정확한 이미지 복원을 가능하게 했으며, 빠른 demodulation이 가능하게 하여 최고 20frame/sec의 실시간 이미징이 가능하도록 했다. 전력 소모도 10.4mW로 적게 하여 배터리 없이 전원을 모바일 기기에서 직접 받아 사용할 수 있도록 했다. 전체 시스템은 천에 전극을 구현하고 EIT SoC를 집적하여 벨트 형태로 구현되었고, 안드로이드 어플리케이션까지 구현하여 모바일 기기에서 실시간으로 폐의 이미지를 볼 수 있도록 했다.
이렇게 고성능 EIT SoC를 설계하고, 천에 회로를 구현하는 기술을 활용하여 전극을 구현하고 칩을 집적함으로써 신체 내부 이미지를 볼 수 있는 간편한 형태의 웨어러블 헬스케어 시스템이 구현되었다. 그리고 시스템들은 in-vitro 뿐만 아니라 in-vivo 측정을 통해 성공적으로 검증되었다.
