ANALISIS SINYAL TEGANGAN KELUARAN ELECTRO SURGICAL UNIT ( ESU ) PADA ALAT BEDAH MEDIS

Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang

Volume 7 – ISSN: 2085-2347

ANALISIS SINYAL TEGANGAN KELUARAN ELECTRO SURGICAL UNIT ( ESU ) PADA ALAT BEDAH MEDIS Totok Winarno¹, Fathoni², Tundung Subali Padma³ ¹² ³ Teknik Elektronika, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Elektronika Negeri Malang [email protected] [email protected]

Abstrak Electro Surgical Unit (ESU) adalah alat bedah medis menggunakan frekuensi tinggi dan tegangan tinggi dengan tujuan pasien tidak mengalami pendarahan selama proses operasi. Dengan menggunakan kopling secara magnetik transformator dan menfaatkan sumber pulsa frekuensi dari mikrokontroller. Dari sumber tegangan 220 volt disearahkan menjadi tegangan direct current (DC) 18 volt pada arus 7 ampere, tegangan DC ini dikonversi menjadi tegangan AC dengan frekuensi 100 KHz sampai dengan 200 KHz. Hasil akhir adalah Tegangan keluaran 1350 Vpp frekwensi 100 KHz dan 1130 Vpp frekwensi 200 KHz yang dinaikkan menggunakan transformator step up selanjutnya dilewatkan pada tubuh pasien melalui pisau elektroda aktif. Hasil penelitian ini membuat dan menganalisa frekuensi 100 KHz pada tegangan keluaran sebesar 1350 Vpp dapat digunakan pada electro surgical dan dilakukan uji irisan pada kedalaman 1.5 mm dengan jarak antara elektroda aktif dan daging sekitar 0.7 mm. Kata Kunci – Tegangan ESU, Inverter, Alat Bedah

kapan saja dan dimana saja serta data level dapat diketahui lebihcepat dan akurat.

1.Pendahuluan Electro Surgical Unit (ESU) merupakan alat bantu bedah medis yang digunakan dalam operasi pasien. Dengan menggunakan alat ini diharapkan selama proses operasi, pasien tidak mengalami kehilangan banyak darah karena alat ini selain dapat digunakan untuk melakukan pembedahan juga dapat digunakan untuk menutup jaringan setelah mengalami pembedahan. Sehingga proses operasi dapat berlangsung dengan lebih bersih, aman dan efisien jika dibangdingkan dengan bedah medis secara konvensional (Bangkit Anggun, 2012). Hampir semua Rumah Sakit ini memiliki kamar bedah yang digunakan untuk tindakan operasi pasien. Dengan demikian ketersediaan ESU dalam tindakan operasi pasien sangat dibutuhkan. Semua ESU yang ada merupakan alat-alat yang diimpor dari luar negeri maka seluruh komponennya juga berasal dari luar negeri, sehingga ketika terjadi kerusakan alat harus mengganti komponen yang diimport dibutuhkan biaya sangat mahal. Untuk menanggulangi keterbatasan akan ketersediaan ESU dan menekan biaya pengeluaran untuk pengadaan alat ESU, maka pada penelitian ini akan dirancang ESU yang menghasilkan gelombang listrik frekuensi tinggi dan tegangan tinggi. Gelombang listrik dihasilkan melalui pembangkit sinyal frekuensi tinggi dan menaikkan tegangannya mencapai 1000-2000 volt. Dengan melakukan analisis sinyal tegangan keluaran maka proses monitor dapat dilakukan

2. Dasar Teori 2.1Manfaat Frekwensi Tinggi Semua jaringan biologis memiliki sifat kelistrikan, begitu pula dengan tubuh manusia. Beberapa sifat kelistrikan pada jaringan biologis diantaranya resistansi, konduktansi, permitivitas, dan kapasitansi. Dengan adanya sifat kelistrikan ini, dapat diasumsikan bahwa tubuh manusia merupakan campuran dari berbagai konduktor. Sehingga dapat dikatakan bahwa tubuh manusia dapat dialiri arus listrik dan memiliki pengaruh berbeda-beda tergantung pada nilai reistansi dan kapasitansi masing-masing tubuh manusia. Frekuensi rendah antara (20 Hz-100KHz) yang mengalir ke dalam tubuh manusia mempunyai efek merangsang saraf dan otot sehingga terjadi kontraksi otot. Efek ini biasanya digunakan dalam upaya kejut jantung agar terjadi kontraksi otot jantung. Namun frekuensi tinggi diatas 100 KHz tidak mempunyai sifat merangsang saraf motoris atau saraf sensoris. Hal ini dikarenakan batas ambang rangsangan pada saraf dan otot adalah 100 KHz (Covidien, 2008). Arus yang berisolasi dengan frekuensi yang sangat tinggi, dapat melewati tubuh manusia tanpa terasa nyeri dan kejang. Penggunaan frekuensi tinggi bertujuan agar tidak menstimulir jaringan saraf dan otot yang bisa mengakibatkan keadaan kejang yang tidak diinginkan untuk terjadi selama tindakan operasi medis (Bangkit Anggun, 2012). A-84

Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang

Gambar 2.1 Jenis-jenis Kegunaan Frekuensi *)sumber : Nader N Massarweh, Ned Cosgriff, Douglas P Slakey (2006). The American Collage of Surgeons, Amerika Dengan mengalirkan gelombang frekuensi tinggi ke dalam jaringan mengakibatkan beberapa efek yang mempengaruhi jaringan-jaringan biologis tubuh.

Volume 7 – ISSN: 2085-2347

Gambar 2.2 Aliran Muatan Listrik pada Bedah Elektro *)sumber : Saudi Food and Drug Administration Program (2008)

listrik akan dapat pada

Rentang frekuensi tinggi antara 200 KHz sampai dengan 3,3 MHz, dapat digunakan untuk penanganan bedah medis yaitu cutting dan coagulation. Dari penggunaan sinyal untuk elekctrosurgery ini diharapkan selama proses operasi pasien tidak mengalami kehilangan banyak darah. Cara kerja dari electrosurgery unit ini adalah membangkitkan sinyal dengan frekuensi tinggi yang disesuaikan dengan efek medis yang diinginkan oleh dokter. Jenis-jenis sinyal ini dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan baik itu berfungsi sebagai cutting atau coagulation seperti Gambar 2.3.

2.2 Electro Surgical Unit (ESU) ESU merupakan salah satu peralatan bedah modern. Dengan ESU dokter ahli bedah dapat membuat sayatan dengan cepat. Selain itu, ESU juga dapat difungsikan untuk tujuan mengendalikan perdarahan yang terjadi pada tindakan operasi, karena pembuluh darah yang terbuka di sekitar luka akibat sayatan dapat langsung tertutup. Teknik bedah menggunakan ESU ini disebut dengan teknik electrocutery. Teknik electrocautery merupakan teknik menggunakan tegangan (1000-2000) volt, dengan frekuensi tinggi yang dibangkitkan oleh generator pembangkit sinyal electro surgical. Arus dari generator electro surgial akan mengalir melalui ujung elektroda menuju ke resistansi atau tahanan tubuh manusia dan kembali ke generator pembangkit sinyal melalui pelat grounding. Arus frekuensi yang sangat tinggi ini menghasilkan pemanasan dan menguapkan jaringan mengakibatkan pemotongan dan pembekuan jaringan (Megadyne, 2010). Rangkaian listrik suatu unit bedah-elektro terdiri atas generator listrik, dan elektroda aktif (alat yang dipegang), pasien dan elektroda balik pasien yang kadang-kadang disebut elektroda pasif atau elektroda tanah (bantalan atau pelat pasien). Elektron atau muatan listrik merambat dari generator melalui elektroda aktif, menuju pasien dan kembali ke generator lewat elektroda tanah pasien, dan dengan demikian terbentuklah rangkaian listrik lengkap (Covidien, 2008).

Gambar 2.3 Bentuk-Bentuk Sinyal Electro Surgical Unit *)sumber : Nader N Massarweh, Ned Cosgriff, Douglas P Slakey (2006). The American Collage of Surgeons, Amerika Berbagai bentuk sinyal yang dikeluarkan oleh ESU ini memiliki kegunaan yang berbeda, efek sayatan terhadap jaringan dan otot juga memiliki hasil yang berbeda pula. Bentuk sinyal yang kontan seperti pure cut digunakan untuk memotong serta menguapkan jaringan dan otot, sinyal yang seperti ini akan dihasilkan panas sangat tinggi dengan proses yang cepat. Bentuk sinyal yang terpotong-potong, seperti sinyal coagulation yang dihasilkan oleh ESU dengan mengubah duty cycle akan menghasilkan panas yang lebih rendah. Panas yang lebih rendah A-85

Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang

ini digunakan untuk menggumpalkan jaringan dan otot. Sinyal blend yang berada diantara sinyal cut dan coag dari pengaturan duty cycle yang berbeda. Pengaturan duty cycle yang lebih panjang, akan menghasilkan panas yang lebih sedikit. Pada sinyal blend 1, digunakan untuk penguapan dengan minimum hemostatis. Sedangkan pada blend 2 dan 3 digunakan untuk cutting dengan efektifitas yang rendah namun memiliki maksimum hemostatis (Covidien, 2008).

Volume 7 – ISSN: 2085-2347

atau kemampuan dilewati oleh garis gaya magnet yang mencapai 1500-3000 H/m, hal ini dapat menjaga arus magnetitasi untuk aplikasi transformator dengan frekuensi tinggi (I. H. Dixon, 2001). Rugi-rugi daya yang diakibatkan oleh pemindahan energi melalui inti ferrite juga sangat rendah jika dibandingkan dengan inti besi. 2.4 Mikrokontroler Mikrokontroller adalah suatu komponen elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus. Mikrokontroller dapat dikatakan sebagai sebuah komputer di dalam chip yang digunakan untuk mengontrol peralatan elektronik. Mikrokontroller memiliki kemampuan lebih jika dibandingkan dengan sebuah mikroprosesor karena sudah terdapat ROM (Read-Only Memory), RAM (ReadWrite Memory), beberapa pin masukan maupun keluaran, dan beberapa peripheral seperti pencacah/pewaktu, ADC (Analog to Digital converter), DAC (Digital to Analog converter) dan serial komunikasi (Ardhian dan Winahyu 2013). Salah satu mikrokontroller yang banyak digunakan saat ini adalah mikrokontroller AVR, yaitu seri mikrokontroller Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) 8 bit buatan Atmel berbasis arsitektur RISC (Reduce Instruction Set Computer) 8 bit berdasarkan arsitektur Havard. Secara umum, mikrokontroller dapat dikelompokkan menjadi 3, yaitu keluarga AT90Sxx, ATMega, dan ATTiny. Yang membedakan dari masing-masih kelompok ini adalah memori, peripheral, dan fiturnya. AVR mempunyai 32 register general-purpose, timer/counter fleksible dengan mode compare, interrupt internal dan eksternal, serial UART, programmable Wacthdog Timer, dan mode power saving, memiliki ADC dan PWM internal. AVR juga mempunyai In-Sistem Programmable (ISP) Flash on-chip yang mengijinkan memori program untuk diprogram ulang dalam sistem menggunakan hubungan serial SPI (Serial Peripheral Interface).

2.3 Transformator Inti Ferit Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Prinsip kerja suatu transformator adalah induksi bersama (mutual induction) antaradua rangkaian yang dihubungkan oleh fluks magnet. Dalam bentuk yang sederhana, transformator terdiri dari dua buah kumparan yang secara listrik terpisah tetapi secara magnetdihubungkan oleh suatu alur induksi. Kedua kumparan tersebut mempunyai mutual induction yang tinggi. Jika salah satu kumparan dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, fluks bolak-balik timbul di dalam inti yang dihubungkan dengan kumparan yang lain menyebabkan atau menimbulkan ggl induksi ( sesuai dengan induksi elektromagnet) dari hukum faraday. Transformator yang digunakan pada rangkian inverter frekuensi tinggi, biasanya inti transformator menggunakan inti ferrite. Inti ferrite ini memiliki bentuk seperti inti besi namun tidak berbentuk lempengan-lepengan besi melainkan berbentuk seperti besi pejal. Inti ferrite ini dibuat dari serbuk MnZn yang dicetak menjadi bentuk sesuai dengan inti transformator pada umumnya. Kebanyakan bentuk inti transformator yang dipakai adalah bentuk EI atau E menyesuaikan dengan tempat lilitan untuk kawal email. Gambar bentuk dari inti ferrite dapat dilihat pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Bentuk Inti Ferrite Transformator *)Sumber : http://visforvoltage.org/forum/13629concepts-ebike-propulsion?page=3 Transformator inti ferrite ini banyak digunakan pada rangkaian konverter dengan frekuensi di atas 20 KHz sampai dengan 2 MHz. Inti ferrite yang terbuat dari bahan MnZn ini memiliki permeabilitas

Gambar 2.3 Rangkaian Mikrokontroler A-86

Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang

3. Perancangan Sistem Secara teknis penelitian ini membahas tentang bentuk sinyal, besar tegangan sinyal dan frekwensi sinyal yang dihasilkan dari perancangan alat ESU. Dalam perancangan sistem pembangkit sinyal frekuensi tinggi dan tegangan tinggi yang dapat digunakan dalam bedah medis, maka ESU diimplementasi dalam bentuk diagram seperti diperlihatkan pada gambar 3.1.

Volume 7 – ISSN: 2085-2347

3.2. Perancangan Push Pull Inverter Perancangan push pull inverter ini, pemilihan tegangan masukan didasarkan pada tegangan keluaran transformator step up inti ferrite yang dibebankan pada rangkaian ini. Sesuai dengan spesifikasi alat bahwa tegangan keluaran sebesar 1350 Vpp. Dengan kemampuan menaikkan tegangan dari transformator step up inti ferrite sebesar 38 kali, maka diperlukan tegangan masukan sebesar 18 volt DC dengan arus 7 ampere.

MASUKAN 5 VOLT DC

R2 1K Ohm

Gambar 3.1 Blok diagram system ESU

R3 470 Ohm 4K7 Ohm

R4

4K7 Ohm

R4

R3 470 Ohm

Terdapat dua bagian blok kerja utama yaitu pada pembangkit frekwensi tinggi dan Inverter. 1. Pembangkit Frekwensi Tinggi Mikrokontroller ATMega16 digunakan untuk menghasilkan sinyal pulsa frekuensi tinggi padav tegngan 5Volt memanfaatkan mikrokontroller untuk menghasilkan pulsa Pulse With Modulation (PWM) menggunakan portD5. Sinyal pulsa frekuensi tinggi ini dihasilkan dengan mencacah clock external yang disambungkan pada kaki XTAL 1 dan XTAL. 2. Inverter Push pull inverter yang dirancang ini terdiri dari dua buah penguat kelas B menggunakan transistor BF459 dan 2N3055 yang dirangkai seri. Sedangkan untuk kopling penguat daya digunakan output transformator yang dikontrol menggunakan transistor 2N2222 . 3.1. Rangkaian Kontrol Inverter Rangkaian kontrol dalam push pull inverter frekuensi tinggi dan tegangan tinggi ini menggunakan transistor. Frekuensi yang digunakan untuk mengaktifkan rangkaian kontrol berasal dari sinyal pulsa frekuensi tinggi yang dibangkitkan oleh mikrokontroller. Skema rangkaian kontrol push pull inverter dapat dilihat pada Gambar 3.2.

Gambar 3.3 Rangakain Push Pull Inverter 3.3. Perancangan Software Pada penelitian perancangan sistem electro surgical unit ini membutuhkan perancangan software untuk membangkitkan sinyal pulsa fekuensi tinggi dari mikrokontroller. Selain itu pengaturan yang dilakukan menggunakan software adalah pengaturan tombol switching untuk pemilihan frekuensi sinyal keluaran yang diinginkan serta sebagai tampilanl layar display LCD. Diagram alir dalam perancangan software pada sistem ini dapat dilihat pada Gambar 3.4.

Start Pilih Frequency

Tampilkan Frequency ke LCD

Keluarkan Frequency dan Tegangan Kontrol dari Mikrokontroller (PWM)

Aktifkan Tegangan Tinggi melalui Pushpull Inverter

MASUKAN 5 VOLT DC

Kirim Ke Elektroda Surgical

End

Gambar 3.4. Flowchart ESU Gambar 3.2 Rangkaian Kontrol A-87

Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang

Volume 7 – ISSN: 2085-2347

dihasilkan dapat dilihat dari periode (T) yang dibutuhkan untuk satu gelombang penuh

4. Pengujian dan Analisa Pengujian dari masing-masing blok sistem yang sudah dibuat dan menganalisa untuk mengetahui kinerja dari sistem. Pengujian ini terdiri dari pengujian rangkaian dan analisa data hasil pengukuran dari sistem yang telah terbentuk.

4.2 Rangkain Kopling Transformator Pengujian rangkaian kontrol dan kopling ini bertujuan untuk mengetahui sinyal frekuensi tinggi yang dihasilkan oleh kopling magnetik menggunakan output transformator.

4.1 Pengujian Sinyal Pulsa Frekuensi Tinggi Pengujian pembangkit sinyal pulsa frekuensi diperlukan untuk melihat sinyal pulsa yang dihasilkan apakah sesuai dengan perancangan bahwa dapat menghasilkan sinyal pulsa dengan frekuensi 100 KHz dan 200KHz. Sinyal inilah yang dijadikan sebagai acuan dalam menghasilkan gelombang frekuensi tinggi dengan tegangan tinggi yang dialirkan ke dalam tubuh manusia melalui elektroda aktif. Berikut ini adalah sinyal pulsa yang dihasilkan oleh mikrokontroller.

Gambar 4.3 Sinyal Freq 200 Khz Analisis: Bentuk sinyal yang dihasilkan juga sesuai dengan perencanaan yang telah dibuat mampu memiliki tegangan 20 volt AC dan frekuensi yang dihasilkan mampu mencapai 200 KHz. Sinyal ini dihubungkan dengan penguat daya push pull inverter 4.3 Pengujian switching Inverter Switching push pull inverter ini bertujuan untuk mengetahui apakah penguat daya push pull inverter dapat berkerja pada frekuensi tinggi. Selain itu, pengujian untuk mengetahui sampai pada frekuensi mana penguat daya ini dapat bekerja dengan normal. Hasil pengujian switching push pull ditunjukkan pada Gambar 4.4

Gambar 4.1 Sinyal Freq 100 Khz

Gambar 4.2 Sinyal Freq 200 Khz v/div= 20 volt, t/div= 5 μs Tegangan keluaran = 40 volt Periode satu gelombang sinyal pulsa = 10 μs

Analisis: Gambar 4.1 dan 4.2 dapat dilihat bahwa mikrokontroller dapat menghasilkan sinyal pulsa frekuensi yang sesuai perencanaan yaitu sinyal pulsa dengan frekuensi 100 KHz dan 200 KHz. Untuk mengetahui besarnya frekuensi yang

Gambar 4.4 Sinyal Freq 200 Khz A-88

Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang

Volume 7 – ISSN: 2085-2347

v/div= 20 volt, t/div= 2.5 μs Tegangan keluaran = 28 volt Periode satu gelombang sinyal pulsa = 5 μs Gambar 4.5 Sinyal Freq 200 Khz Analisis: Pengujian kemampuan switching dengan memberikan beban resistif berupa lampu dengan tegangan VCC sebesar 40 volt. Kemudian diukur mengguanakan osciloscop pada kaki kolektor dan emitor dan hasilnya Gambar 4.4 pada frekuensi trigger penguat daya diberi frekuensi 100 KHz, transistor dapat bekerja secara normal dengan tegangan VCE sama dengan tegangan VCC yakni 40 volt. Pada Gambar 4.5 ketika diberi trrigger 200 KHz, transistor masih dapat melakukan switcing secara normal namun tegangan VCE tidak sama dengan tegangan VCC. Tegangan VCE hanya sebesar 28 volt. Dari pengujian ini dapat diketahui bahwa performa optimal yang dapat dilakukan oleh transistor penguat daya bekerja pada frekuensi 100 KHz.

Gambar 4.6 Tegangan Out pada Freq 100 Khz Nilai ini sesuai dengan perencanaan untuk tegangan masukan dari penguat daya dari transformator step up adalah 18 volt dapat terbentuk tegangan masukan sebesar 2x18 voltyaitu 36 Vpp. Dengan pengali dari transformator step up sebesar 38 kali maka dihasilkan tegangan keluaran sebesar 1368 Vpp. Terdapat selisih sekitar 18 Vpp, dikarenakan rugi transformator kurang sempurna.

4.4 Pengujian Output Transformator Step Up Pengujian keluaran transformator step up merupakan sisi paling akhir dari seluruh sistem. Tegangan dari transformator ini yang digunakan untuk menyayat daging. Tegangan output dapat dukur melalui keluaran pada sisi lilitan sekunder transformator inti ferrite yang digunakan pada push pull inverter. Hasil pengujian keluaran transformator ini ferrite ini seperti Gambar 4.6 Analisis: Pada Gambar 4.6 dapat diketahui tegangan maksimal yang dapat dihasilkan pada tegangan tinggi ini sebesar 1350 Vpp lebih untuk frekuensi 100 KHz.. Dengan v/divsebesar 100 volt, maka dapat diketahui pada frekuensi 100 KHz dapat menghasilkan tegangan melebihi 1350 Vpp.

5 Kesimpulan Dari data hasil pengujian dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1 Mikrokontroller ATMega16 dapat digunakan untuk membangkitkan sinyal pulsa frekuensi sebesar 100 KHz. 2 Menggunakan push pull inverter dari transistor 2N3055 dan BF459 dapat beroperasi pada frekuensi maksimal 100 KHz. 3 Kopling magnetik menggunakan output transformator dengan perbandingan jumlah lilitan adalah 1:1. Cukup baik digunakan dalam switching frekuensi padai 100 KHz. 4 Tegangan keluaran maksimum yang dihasilkan sebesar 1350 Vpp pada frekuensi 100 Khz. 5 Kedalaman maksimal hasil sayatan oleh electro surgical pada sampel (daging ayam) adalah 1.5 mm.

Skala: v/div= 100 volt t/div= 5 μs Tegangan keluaran = 1350 Vpp Periode satu gelombang sinyal pulsa = 10 μs A-89

Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang

Daftar Pustaka: Bangkit Anggun, “Analisa Keandalan, Safety dan ketidakpastian electro surgical unit di rumah sakit Dr. Mohammad Soewandhie Surabaya”, Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Sepuluh Novenber, Surabaya, 2012. Covidien, “Principle of Elektrosurgery”, http://www.covidien.com, Juni 2014. Megadyne, “Principles of Elektrosurgery”, http://www.megadyne.com, Juni 2014 Ardhian, Winahyu, “Pengontrol Suhu dan Pendeteksi Ph pada Alat Inokulasi dan Fermentasi Dalam Proses Pembuatan Yoghurt Berbasis Miktokontroller”, Jurusan Teknik Elektro, Program Studi Teknik Elketronika, Politeknik Negeri Malang, Malang, 2013. Dody Ervant K, “Analisa Power Induktor Bentuk E dengan Kawat Enamel pada Boost Converter”, Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, 2012. H. Dixon, “Magnetics Design for Switching Power Supplies: Section 2 Magnetic Core Characteristic”, Unitrode Magnetics Seminar, 2001. W. Mujahid, “Perancangan Pembangkit Tegangan Tinggi AC Frekuensi Tinggi dengan Kumparan Tesla Menggunakan Inverter jenis Push Pull”, Jurnal Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro, Semarang

A-90

Volume 7 – ISSN: 2085-2347