APLIKASI THERMOPILE DALAM AKUISISI SUHU PADA TERAPI HIPERTERMIA Wisnu Adi Prasetyanto1 1 Program
Studi Teknik Elektro Universitas Dian Nuswantoro Semarang Jl. Nakula I No 5-11 Semarang Email :
[email protected]
Abstract Therapy by using heat (Hyperthermia) have old draw attention and have been done in so many form. The controlling of Hyperthermia temperature determines the therapy efficiency with the thermal effect. This matter is needed so that the obtained result of optimal therapy without generating loss destruction of healthy cells. Hipertermia temperature adjustment can’t be stand alone and need data acquisition process from non contact infrared temperature sensor thermopile. From this data acquisition we can get regression coefficient for temperature calibration parameter. The aim of this research is proving that building a non contact thermometer device based on infrared Thermopile can give an accurate measurement and give a solution for cancer therapy temperature adjustment at 430 C for 45 minutes. Keywords : temperature, hyperthermia, USB 1. PENDAHULUAN Kemajuan teknologi saat ini merangsang pertumbuhan penemuan baru dalam berbagai bidang, tidak terkecuali penemuan baru di bidang medis. Kemajuan di bidang ini terbukti dengan ditemukannya alat untuk terapi hipertermia. Hipertermia berarti penaikan suhu beberapa derajat Celcius di atas suhu fisiologi normal. Untuk manusia hal ini berarti suhu dari 400C sampai 450C. tujuan terapi dengan hipertermia adalah untuk membangkitkan panas yang cukup untuk membunuh sel-sel tumor tanpa merusak sel-sel sehat. Hipertermia dapat digunakan secara tersendiri atau dikombinasikan dengan khemoterapi atau radioterapi. Dalam proses penaikan suhu tersebut tentu saja diperlukan suatu mekanisme atau peralatan untuk mengukur sehingga dicapai suatu variasi suhu yang aman bagi manusia. Peralatan yang biasa digunakan untuk mengukur suhu adalah termometer. Metode pengukuran suhu dibagi menjadi dua jenis : kontak dan non-kontak. Metode pengukuran suhu kontak yang konvensional meliputi termokopel, resistance temperature detectors (RTDs), dan thermistor. Termometer air raksa juga termasuk dalam katagori ini. Termometer Inframerah adalah suatu metode pengukuran suhu non-kontak, disebut demikian karena alat ukurnya tidak menyentuh obyek yang akan diukur suhunya. Pada pengukuran suhu kontak, sensor suhu kontak harus mengimbangi kalibrasinya dengan suhu pada obyek yang diukur. Sebagai contoh, air raksa di dalam termometer mengambil suhu di udara kemudian meluas ke seluruh permukaan air raksa sehingga air raksa mengembang. Ketika sensor kontak diarahkan ke suhu yang berbeda, termometer tersebut membutuhkan waktu untuk mengimbangi perubahan suhu tadi. Peristiwa ini dikenal sebagai waktu tanggapan terhadap sensor (response time). Dalam beberapa aplikasi, pengukuran suhu dengan metode kontak tidaklah praktis atau tidak memungkinkan untuk menggunakan termometer dengan sensor kontak. Oleh karena itu digunakanlah sensor inframerah yang dapat mengukur suhu pada jarak tertentu dengan waktu tanggapan yang sangat kecil. Sensor non-kontak inframerah sangat cocok digunakan dalam kasus-kasus :
1. 2.
Obyek-obyek bergerak ( contoh : mesin-mesin bergerak atau rollers ). Suatu kondisi yang beresiko tinggi atau berbahaya terhadap kontaminasi ( contoh : resiko tegsngsn tinggi dan bahaya radiasi dari bahan radioaktif ). 3. Ketika jarak terlalu jauh untuk dijangkau manusia dalam pengukuran secara kontak. ( contoh : pengukuran suhu yang dilakukan di luar angkasa ). 4. Suhu terlalu tinggi untuk menggunakan termokopel atau RTDs ( contoh : pengukuran suhu pada industri peleburan baja ). Dari pernyataan-pernyataan tersebut di atas, maka timbul sebuah ide mengenai mekanisme pengukuran suhu dengan metode non kontak dengan menggunakan sensor suhu thermopile untuk memonitor, mengolah, bahkan mengendalikan data suhu pada proses hipertermia di bidang medis, agar tercapai kondisi suhu yang konstan dan akurat. 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Sensor Inframerah Thermopile Thermopile adalah sejumlah termokopel yang kecil, terhubung secara seri, dan dibentuk dengan cara mengikuti sambungan panasnya untuk diiluminasi oleh radiasi yang terjadi. Suhu dari sambungan panas meingkat sampai tingkat energi yang terjadi diimbangi oleh kerugian konduksi, konveksi dan radiasi pada lingkungan itu. Keseimbangan suhu dan keluaran termoelektrik dari thermopile akan berhubungan dengan daya yang timbul dan suhu dari target. Sebagian dari thermometr radiasi yang paling awal dibuat dengan cara menggunakan termokopel kawat yang baik, pada umumnya tembaga-constantan atau perak-bismut. Sambungan panas akan dihubungkan dengan suatu penerima yang terbuat dari timah, menghitamkan lembaran emas. Keluaran termoelektris akan diumpankan dari termometer ke suatu alat ukur yang sesuai. Instrumen dari jenis ini adalah kasar dan sederhana tetapi mempunyai suatu kepekaan yang relatif rendah dan tanggapan yang lambat. Teknik modern sudah mengijinkan thermopile untuk disimpan seperti sebuah film tipis di atas substrat, dengan demikian mengijinkan konstruksinya dengan banyak massa yang lebih rendah dibanding versi kawat. Dengan cara ini kecepatan dan sensitivitas tanggapan dapat ditingkatkan. Peningkatan lebih lanjut dalam hal sensitivitas dapat dicapai dengan membungkus thermopile dalam suatu lampiran berisi gas dengan daya konduksi rendah seperti gas xenon. Sensor yang digunakan dalam penelitian ini adalah thermopile dengan tipe TPS333 dari Perkin Elmer. Sensor ini terdiri atas sederetan elemen termik yang membentuk daerah sensitif yang dilapis dengan bahan penyerap inframerah. Jendela thermopile TPS333 ini dilengkapi dengan filter infra merah. Sinyal keluaran thermopile sebagian besar berbanding langsung dengan daya radiasi yang datang dan hampir tidak bergantung dengan panjang gelombang. Perilaku frekuensi sesuai dengan sifat low pass filter. Thermopile ini juga dilengkapi dengan sensor referensi temperatur berupa thermistor sehingga dapat digunakan untuk kompensasi hanyutan suhu (drift temperature) pada thermopile. 2.2. Akuisisi Data Suhu Akuisisi adalah suatu kegiatan untuk memperoleh, mengumpulkan, menganalisis sekaligus menyimpan suatu informasi atau data. Akuisisi yang dimaksud di sini adalah suatu proses mendapatkan informasi atau data suhu dari obyek yang dipanaskan sehingga data tersebut dapat dimonitor, diolah, bahkan dikendalikan oleh operator melalui komputer. Cara mendapatkan data suhu tersebut adalah dengan menggunakan sensor suhu nonkontak yang disebut thermopile yang terangkai dalam rangkaian termometer inframerah, yang dihubungkan dengan modul USB sebagai interface dan port I/O. Kinerja rangkaian ini dimulai dari proses masukan analog dari termometer inframerah yang diubah menjadi data-data digital dalam USB yang selanjutnya dapat diolah dan dikendalikan sesuai dengan keinginan. 2.3. Hipertermia Hipertemia adalah suatu proses penaikan temperatur beberapa derajat celcius diatas temperatur fisiologi normal. Untuk manusia hal ini berarti temperatur dari 41 0C sampai 440C. Tujuan terapi dengan hipertermia adalah membangkitkan panas yang cukup untuk membunuh
sel tumor tanpa merusak sel sehat. Hipertermia dapat digunakan secara tersendiri atau bergabung dengan terapi kimia atau terapi radio. 3. METODE PENELITIAN Bahan penelitian utama adalah data suhu yang dihasilkan oleh sensor thermopile yang dihubungkan dengan USB 1208LS yang akan membaca kode 12 bit dengan bantuan pemograman Delphi. Suhu yang terbaca oleh program akan menjadi acuan pada aturan Fuzzy sehingga suhu pengaturan yang dikendaki akan terjaga pada kisaaran waktu yang telah ditentukan untuk terapi hipertermia. 3.1. Perangkat Keras a. Perangkat notebook dengan spesifikasi sebagai berikut : 1. Prosessor AMD Turion64-X2 1.8G 2. RAM 2048 MB 3. Hard-disk 80GB b. Antar Muka 1. Modul USB 1208LS 2. USB Konektor c. Modul sensor thermopile. 1. Thermopile TPS 333 2. TL074, OP07, OP77, OP177 d. Modul Magnetron 1. Magnetron : 320V/220V, YJ1530SP, National Elektronics. 2. Solid State Relay: MOC3042, TRIAC 4004LT. 3. IC: TL074 4. IC Daya 30W: LM4701 3.2. Perangkat Lunak a. Sistem Operasi : Windows Vista Home Premium b. Driver Modul USB1208LS, meliputi InstaCal dan cwb32.dll c. Bahasa Pemrograman : Delphi6 d. Database Server MySQL : XAMPP e. Driver konektor MySQL to ODBC Ver. 3.51 3.3. Tahapan Penelitian Penelitian dilakukan dengan tahapan-tahapan sebagai berikut : 1. Melakukan pengukuran suhu pada permukaan kulit yang dipanasi 30 oC sampai dengan 50oC. 2. Melakukan beberapa kali pengukuran 3. Menghitung nilai a0, a1 dan a2 untuk mencari koefisien regresi 4. Menentukan besarnya standar deviasi
4.HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Termometer yang dibuat Thermopile
Baca ADC
Nilai X1
Thermistor
Baca ADC
Nilai X2
Kalibrasi
Nilai Y
Pemanas
Termometer kalibrasi Parameter Kalibrasi
Regresi Linear
a0,a1,a2
Software Gambar 1. Diagram Blok Pengujian
Tabel 1. Hasil Pengukuran suhu 30 oC sampai 50 oC Bit ADC
suhu
suhu terhitung
thermopile
thermistor
terukur
(X1)
(X2)
Y
(x1)y
(x2)y
(x1)(x2)
(x1)^2
(x2)^2
y'
kwadrat error
2008
2342
30
60240
70260
4702736
4032064
5484964
29,75983284
0,057680264
2052
2340
31
63612
72540
4801680
4210704
5475600
31,18303177
0,033500629
2086
2340
32
66752
74880
4881240
4351396
5475600
32,17188736
0,029545264
2122
2342
33
70026
77286
4969724
4502884
5484964
33,07540746
0,005686285
2158
2340
34
73372
79560
5049720
4656964
5475600
34,26593449
0,070721151
2188
2340
35
76580
81900
5119920
4787344
5475600
35,13845412
0,019169544
2226
2342
36
80136
84312
5213292
4955076
5484964
36,1001422
0,01002846
2262
2342
37
83694
86654
5297604
5116644
5484964
37,14716577
0,021657762
2284
2340
38
86792
88920
5344560
5216656
5475600
37,93051696
0,004827893
2322
2340
39
90558
91260
5433480
5391684
5475600
39,0357085
0,001275097
2356
2342
40
94240
93680
5517752
5550736
5484964
39,88106063
0,014146575
2384
2342
41
97744
96022
5583328
5683456
5484964
40,69541229
0,092773675
2412
2338
42
101304
98196
5639256
5817744
5466244
41,79677087
0,041302078
2442
2338
43
105006
100534
5709396
5963364
5466244
42,66929051
0,109368766
2486
2338
44
109384
102872
5812268
6180196
5466244
43,94898598
0,00260243
2518
2340
45
113310
105300
5892120
6340324
5475600
44,73617013
0,069606202
2558
2342
46
117668
107732
5990836
6543364
5484964
45,75602618
0,059523225
2602
2340
47
122294
109980
6088680
6770404
5475600
47,17922511
0,03212164
2610
2340
48
125280
112320
6107400
6812100
5475600
47,41189701
0,345865123
2682
2340
49
131418
114660
6275880
7193124
5475600
49,50594414
0,255979474
2720
2340
50
136000
117000
6364800
7398400
5475600
50,61113568
0,373486821
49478
49148
840
2005410
1965868
115795672
117474628
115025080
1,650868359
Untuk menghitung nilai koefisien regresi a0, a1, dan a2 perlu diketahui 3 persamaan dengan 3 anu yang diperoleh dengan metode kuadrat terkecil dari persamaan (1)
Sehingga diperoleh persamaan seperti pada persamaan (2), (3), dan (4) di bawah :
Dari Tabel 1. dimasukkan nilai-nilainya ke dalam persamaan (2), (3), dan (4) di atas sehingga diperoleh
Dengan matriks dapat dihitung nilai koefisien regresi a0, a1, dan a2
Besarnya nilai deviasi atau error pada tiap-tiap data dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (5)
Standard deviasi pada table 1 :
Gambar 2. Grafik perubahan suhu terhadap bit adc thermopile standar devisasi 0.2803
Gambar 3. Hubungan Linearitas Suhu Terukur dengan Suhu Terhitung pada tabel. 1
5. KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan , dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut : 1. Pembuatan perangkat termometer non kontak berbasis thermopile infrared dapat memberikan hasil pengukuran suhu yang akurat dengan berbagai variasi dalam batas toleransi. Ini terbukti dari beberapa pengambilan data suhu errornya semakin kecil. 2. Akuisisi data suhu berbasis USB dengan metode dua kanal untuk menghitung kompensasi suhu dapat memberikan solusi untuk mengatur suhu terapi kanker pada 43 oC selama 45 menit.
DAFTAR PUSTAKA [1] Budiharto, Widodo,2004, ” Interfacing Komputer dan Mikrokontroller ”,Jakarta: Elex Media Komputindo. [2] Carter, R. G., 1990, Electromagnetic waves: microwave components and devices, Penerbit: Chapman and Hall, London, UK. [3] Wijarnarko, Rudi B,1990, ” Pengaturan Suhu Sistem Tersimulasi Hipertermia dalam Fisiolagi Anti kanker” , Fakultas teknik Jurusan Teknik Elektro UGM, Yogyakarta. [4] Wildi, T., 2002, Electrical Machines, Drives, and Power System, Penerbit: Prentice Hell, New York.
