Električna impedančna tomografija (EIT) predstavlja nekonvencionalno in neinvazivno slikovno metodo, ki omogoča rekonstrukcijo porazdelitve prevodnosti znotraj merjenca na osnovi vzbujalnih izmeničnih tokov in merjenih napetosti na površini. Zaradi nizke cene, prenosljivosti in odsotnosti ionizirajočega sevanja je tehnika privlačna tako v medicini kot tudi v industriji ter pri nadzoru strukturne materialov. Njena ključna omejitev ostaja nizka prostorska ločljivost, ki je posledica matematično slabo definiranega inverznega problema rekonstrukcije slike. Eden izmed glavnih gradnikov vsakega EIT sistema je tokovni vir, ki zagotavljati stabilen, natančen in od bremena neodvisen tok v širokem frekvenčnem območju. Pri nizkih frekvencah je načrtovanje takšnega vira relativno enostavno, prehod v območje do nekaj megahertzev pa prinaša izrazite težave zaradi parazitnih pojavov in elektromagnetnih motenj.
Cilj diplomske naloge je raziskati izvedljivost realizacije visokofrekvenčnega tokovnega vira za EIT aplikacije do 10 MHz. Motivacija za raziskavo izhaja iz potrebe po razširitvi uporabe EIT v širši spekter industrijske in raziskovalne uporabe, kjer višje frekvence omogočajo boljše razlikovanje med materiali ter zaznavanje mikrostrukturnih sprememb. Projekt je vključeval pregled obstoječih topologij tokovnih virov, izbor najprimernejše rešitve, načrt vezja, izbiro komponent, izvedbo tiskanega vezja in končno eksperimentalno preverjanje.
V teoretičnem delu naloge so podane osnove EIT in razloženi ključni gradniki sistema: elektrode, tokovni vir, napetostna merilna enota in algoritmi za rekonstrukcijo slike. Podrobneje je obravnavana odvisnost električnih lastnosti materialov od frekvence, saj prav ta določa uporabnost različnih frekvenčnih pasov za specifične aplikacije. Za medicinsko diagnostiko se na primer uporabljajo frekvence do nekaj sto kilohertzev, medtem ko za karakterizacijo polimerov, kot je PVC s primesmi, postanejo relevantni megaherčni pasovi. Na osnovi teh ugotovitev je bil kot ciljni razpon izbran interval med 10 kHz in 10 MHz.
Z vidika elektronskega načrtovanja prehod v območje megaherčnih signalov pomeni bistveno spremembo v obnašanju vezij. Približke z idealnimi elementi zamenjajo realni modeli s parazitnimi kapacitivnostmi in induktivnostmi, pojavljajo se linijski pojavi, kožni pojavi in dielektrične izgube. Zato postanejo ključni dejavniki načrtovanja: doseganje visoke izhodne impedance tokovnega vira, stabilnost povratnih zank, ustrezna izbira ojačevalnikov z zadostno pasovno širino in primerna zasnova tiskanega vezja, ki minimizira parazitne učinke. V tem okviru je bil analiziran nabor topologij, od enostavnih uporovno-napetostnih virov, klasične Howlandove črpalke, do njenih naprednih različic z več operacijskimi ojačevalniki. Kot najprimernejša je bila izbrana izboljšana Howlandova črpalka (EHCP), ki predstavlja kompromis med kompleksnostjo izvedbe in zahtevano zmogljivostjo. Njena prednost je višja izhodna impedanca, ki zagotavlja stabilnejše delovanje od navadnega Howlandovega vira.
Izvedba tokovnega vira je temeljila na operacijskem ojačevalniku AD844 podjetja Analog Devices, ki s svojo pasovno širino (60 MHz), visoko hitrostjo spreminjana izhodne napetosti (2000 V/µs) in velikim napetostnim razponom omogoča obetavno delovanje v ciljnem frekvenčnem pasu. Upori so bili ozkotolerančni (0,1 \%), saj najmanjša odstopanja povzročajo degradacijo simetrije vezja in posledično zmanjšujejo izhodno impedanco. Posebna pozornost je bila namenjena postavitvi elementov na tiskanem vezju: kratke povratne poti, zadostne razdalje okoli visokoimpedančnih vozlišč in čim manjše površine tokovnih zank.
V eksperimentalnem delu je bil izdelan in sestavljen prototip, ki je bil nato preizkušen z uporabo laboratorijskih instrumentov (signalni generator Keysight 33500B, napajalnik Delta Electronica EST150 in osciloskop Tektronix TDS2014C). Meritve so bile izvedene pri različnih frekvencah (10 kHz, 100 kHz, 1 MHz, 10 MHz) in nespremenjeni obremenitvi, da bi ocenili stabilnost, izhodni tok in obnašanje vezja pri različnih frekvencah. Rezultati so pokazali, da je prototip dosegel stabilno in dovolj natančno delovanje do približno 1 MHz, kjer je zagotavljal konstanten tok reda 1 mA. Pri 10 MHz pa je prišlo do popolne degradacije izhoda tokovnega vira, kar je posledica povečanih parazitnih učinkov, zaradi tega operacijski ojačevalnik ni zmožen stabilno krmiliti bremena.
Čeprav prototip ni izpolnil zahtev za delovanje pri 10 MHz, so dobljeni rezultati pomembni za razumevanje omejitev in izzivov pri razvoju visokofrekvenčnih tokovnih virov za EIT. Ključne težave vključujejo zmanjševanje izhodne impedance pri višjih frekvencah, vpliv parazitnih elementov, stabilnost povratnih zvez in občutljivost na elektromagnetne motnje. Naloga ponuja smernice za prihodnje raziskave, ki bi se osredotočale na odpravo nakazanih težav.
Možne aplikacije razvitega tokovnega vira so široke. V medicini omogoča varno, neinvazivno karakterizacijo tkiv, kjer se zaradi različnih dielektričnih lastnosti posameznih struktur z višjimi frekvencami izboljša kontrast in posledično možnost razlikovanja struktur. V industriji lahko EIT v kombinaciji z visokofrekvenčnimi tokovnimi viri služi za zaznavanje mikrorazpok v PVC cevovodih in drugih polimernih materialih, za nadzor kakovosti kompozitov, keramike ali kovin ter za spremljanje procesov v kemijski in biološki industriji, kjer se s časom spreminjata prevodnost in permitivnost. V vseh primerih je zanesljiv tokovni vir osnovni pogoj za natančno delovanje EIT.
Realizacija zanesljivega tokovnega injektorja do 10 MHz v predstavljeni izvedbi ni bila dosežena. Kljub temu pa raziskava ponuja pomembno izhodišče za nadaljnje delo. Določene so bile glavne omejitve in identificirani so ključni parametri, ki jih je treba izboljšati, da bi bila EIT lahko učinkovito uporabljena v širšem frekvenčnem območju.
|
