Rancang Bangun Sistem Elektromekanik untuk Perangkat Komputer Tomografi Ultrasonik Suryono 1,2, Kusminarto 3, Gede Bayu Suparta4 Departemen Fisika Fakultas MIPA Universitas Diponegoro Semarang 50275 e-mail :
[email protected] 2 Kandidat Doktor Jurusan Fisika FMIPA Universitas Gadjah Mada Yogyakarta 55281 3 Jurusan Fisika FMIPA Universitas Gadjah Mada Yogyakarta 55281 e-mail :
[email protected] 4 Jurusan Fisika FMIPA Universitas Gadjah Mada Yogyakarta 55281 e-mail :
[email protected] 1
Abstrak - Telah dilakukan rancang bangun sistem elektromekanik untuk perangkat komputer tomografi ultrasonik. Scanning dilakukan dengan menggerakkan obyek secara translasi dan rotasi. Sistem tersebut memerlukan kesamaan jarak rotasional dan translasional untuk mendapatkan square sampling. Oleh karena itu dalam pembuatan sistem digunakan motor stepper. Sebagai penggeraknya digunakan mikrokontroler ATmega8535 dengan pemrograman bahasa assembly untuk menggerakkan motor langkah sesuai dengan urutan pencatuan pada pole-nya. Motor stepper rotasi dihubungkan dengan 4 bit mikrokontroler pada Port C,0 – Port C,3 sedangkan untuk motor translasi dihubungkan dengan Port C,4 –Port C,7 yang sebelumnya dikuatkan oleh penguat transistor bertingkat BD139 dan D313. Bagian poli motor dikopel dengan reducer 1:2,4 yang memutar ulir rotasi. Untuk memberi perintah bekerjanya mikrokontroler dalam menggerakkan motor stepper digunakan komputer yang keduanya berhubungan melalui port serial COM1. Perintah pada komputer dirancang melalui pemrograman Borland Delphi 7. Dari hasil pengujian yang dilakukan pada sistem yang dibuat diperoleh kesimpulan bahwa resolusi gerak rotasi adalah 1,8o/step. Pada pengujian gerak translasi diperoleh ketelitian 0,005 mm/step. Pada pengujian gerak traslasi yang didasarkan pada jari-jari obyek dan resolusi sudut rotasi, diperoleh hubungan teoritik dan hasil eksperimen 1:0,998 dengan koefisiensi korelasi linier R = 99,95% pada jari-jari rotasi tomografi 2,5 mm. I. PENDAHULUAN Tomografi adalah suatu metode pencitraan tampang lintang obyek. Data-data pencitraan diperoleh dengan metode transmisi, emisi atau refleksi oleh obyek dari berbagai sudut. Pada saat ini sedang dikembang sistem tomografi menggunakan gelombang ultrasonik untuk uji tak-merusak (non-destuctive test) pada berbagai bahan [1]. Kelebihan dari pencitraan tomografi ultrasonik adalah diperolehnya data kuantisasi numerik yang tidak dapat diperoleh pada metoda
brightness scanning (B-scan) pada jaringan maupun medium lain [2, 3]. Selain itu tomografi ultrasonik memberikan bahaya yang kecil pada kesehatan karena bukan radiasi pengion, memerlukan sumber catu daya yang rendah, mampu mencitrakan sistem fisiologi jaringan atau organ bagian dalam, dan memiliki harga yang kompetitif [4]. Sistem tomografi gelombang ultrasonik memiliki banyak aplikasi pada berbagai material di antaranya: pencitraan diagnostik medis [5] untuk mendeteksi kanker, kista, patologi anatomi organ serta mendeteksi ketebalan kortek dan panjang tulang fetus di dalam kandungan [6], di dunia industri, transportasi, dan komunikasi [7] digunakan untuk uji takmerusak, pada bidang geofisika untuk pendeteksian lubang pengeboran [8], pencitraan tanggul, dan investigasi hubungan persambungan pada bor eksplorasi, struktur batuan, dan struktur lapisan tanah [9], sistem tomografi ultrasonik pada bidang elektromekanik digunakan untuk visi robotik [10] dan otomasi pembuatan pola 3D. Pada industri kimia sistem tomografi ini dapat digunakan untuk mendeteksi jenis gas dan gelembung (bubble) sehingga dapat dilakukan filtrasi tanpa memerlukan interupsi [11], akibatnya dapat meningkatkan produktifitas, keseragaman, meminimalkan material masukan, mereduksi konsumsi energi, merendahkan kerusakan lingkungan dan efek pada orang yang berada di dekatnya. Tomografi ultrasonik digunakan untuk monitoring secara online yang non-infasif dan non-interusif sistem di bidang instrumentasi dan control [12]. Pada umumnya, penelitian yang telah dilakukan tidak menjelaskan secara nilai numerik dari citra yang dihasilkan. Gambar yang diperoleh dimanfaatkan dengan intepretasi visual atau berupa prosentase relatif terhadap luasan citra. Profil dari densitas (kerapatan) massa dari citra yang dihasilkan belum dijelaskan. Disisi lain mendapatkan nilai densitas massa sangat dibutuhkan karena dapat menjelaskan komposisi, retakan (crack), struktur, porositas, kekuatan, kelainan organ, kematangan dan masih banyak lagi aplikasi yang lain.
II. DASAR TEORI
Seminar Instrumentasi Berbasis Fisika 2008 Bandung 28 Agustus 2008
Halaman 100
Gelombang ultrasonik merupakan gelombang akustik frekuensi tinggi yang tidak mampu didengar oleh telinga manusia. Frekuensi kerja yang digunakan dalam gelombang ultrasonik bervariasi tergantung dari medium yang dilalui, mulai dari fasa gas, cair maupun padat. Hingga saat ini, batas atas dari frekuensi gelombang ultrasonik belum bisa ditentukan secara pasti. Yang bisa diketahui adalah daerah-daerah kerja frekuensi yang dapat dipakai dalam berbagai macam penggunaan [4]. Jika efek difraksi gelombang ultrasonik diabaikan maka formulasi dari tomografi ultrasonik sama dengan tomografi pada sinar-x di mana keduanya merupakan efek integral garis dari atenuasi obyek yang dapat diestimasi dari pengukuran energi di sepanjang lintasan dari obyek tersebut. Gelombang ultrasonik terbedakan dengan sinar-x karena memiliki kecepatan yang lebih rendah dan memungkinkan pengukuran tekanan gelombang dari fungsi waktu. Oleh karena itu dari tekanan gelombang tidak hanya menghasilkan pengukuran atenuasi tetapi juga dapat diukur time delay dari sinyal tersebut [13]. Suatu obyek dapat ditinjau sebagai sebaran besaran fisis tertentu misalnya koefisien pelemahan. Salah satu metoda tomografi ultrasonik transmisi adalah transmitter dan receiver diletakkan berhadapan dan dilakukan scanning melintang pada area target yang diletakkan antara dua transduser tersebut. Dua parameter penting untuk rekonstruksi sinyal adalah koefisien atenuasi a(ω) dan kecepatan propagasi u dari gelombang yang melaui medium [6]. Koefisien atenuasi untuk jaringan lunak berubahan terhadap frekuensi pada frekuensi 1 MHz – 10 MHz. Karakteristik lain dari medium adalah waktu yang diperoleh dari radiasi yang dijatuhkan pada medium untuk mendapatkan jarak. Pengukuran time-of-flight menghasilkan peta kecepatan 1/v(x,y) atau peta hubungan indek refraksi n(x,y). Oleh karena itu proyeksi yang dilakukan pada pengukuran time-of-flight memungkinan untuk dibuat rekonstruksi tomografi menggunakan algoritma komputer [14]. Gelombang ultrasonik dipancarkan dari transduser pemancar sehinggga mengenai obyek dan selanjutnya terima oleh transduser penerima seperti ditunjukkan Gambar 1. Pada frekuensi 1 MHz – 10 MHz atenuasi di udara sangat tinggi maka transduser tersebut dicelupkan pada air [14]. Jika sinyal
listrik X(f) digunakan untuk mengirimkan transduser pemancar dan sinyal yang diterima di transduser penerima adalah Y(f), maka hubungan antara sinyal yang dipancarkan dan yang diterima adalah : Y(f) = X(f).H1(f).H2(f). Aτ. e
−α w ( f )l w1
e
− jβ w ( f )l w2
(1)
Hampir semua kasus menyatakan bahwa koefisien atenuasi air sangat kecil jika dibandingkan dengan obyek [14]. Oleh karena itu dapat dilakukan pendekatan : Y(f) = Yw(f). Aτ
e −α ( f ) l
− jβw ( f ) l − β w ( f ) l
(2)
Maka untuk lapisan yang beragam seperti ditunjukkan Gambar 1 di atas diperoleh persamaan: l
∫
−α ( x , f ) dx
Y(f) = Aτ Yw(f). e
0
.
l
1 1 − j 2πf ( − ) dx V ( x ) Vw
∫
e
0
(3)
dengan Vx adalah kecepatan gelombang pada lapisan x dan Vw adalah kecepatan gelombang pada air. Dengan mengabaikan efek difraksi pada masing-masing lapisan, maka persamaan 3 dapat ditulis dalam persamaan : y(t) = y’w(t - Td) (4) dengan y’w (t) adalah persamaan dari inversi transformasi Fourier sinyal Yw (f) yaitu : l
∫
−α ( x , f ) dx
y’w(t) = Aτ Yw(f). e
0
(5)
dan Td merupakan persamaan dari : l
1 Td = ∫ (n( x) − 1)dx vw 0
(6) Selanjunya n(x) disebut indek refraksi yaitu perbandingan kecepatan gelombang di air Vw terhadap kecepatan dilapisan x atau Vx.
Gambar 1. Radiasi ultrasonik pada area dengan transduser berhadapan.
Seminar Instrumentasi Berbasis Fisika 2008 Bandung 28 Agustus 2008
Halaman 101
Gambar 2. Proses scanning pada tomografi komputer ultrasonik
Berkas radiasi yang membentuk sudut Φ terhadap sumbu y dalam kerangka diam yang dinyatakan sebagai lintasan gelombang yang melalui titik (xr, yr) dalam kerangka rotasi dinyatakan dengan hubungan : ∞
Pφ (xγ ) = ∫ n( x r , y r ).dy r
Proses sampling dilakukan sedemikian hingga resolusi spasial pada arah xr dan yr sama yaitu sebesar R∆φ = w 2 dengan w adalah lebar kolimator. Jumlah langkah translasi dan rotasi ini sangat menentukan kualitas citra yang dihasilkan. Pada sampling pola square, sebuah titik obyek akan menghasilkan lintasan sinusoidal dalam ruang Radon. Data transformasi Radon hasil sampling ini disebut sinogram. Setiap baris dalam sinogram adalah satu proyeksi yang merupakan kumpulan dari kuantisasi total (ray-sum) indek refraksi pada
3.
(a)
Sampling
sinogram
∆Yφ = ∆φ R
(7)
−∞
Gambar
sudut φ tertentu [15]. Gambar 3 menunjukkan representasi obyek dalam ruang Radon dan sinogram dari obyek titik. Scanning pada sistem tomografi dilakukan sejumlah N rotasi dan M translasi. Pada sistem rotasi diperoleh resolusi rotasi ∆Yφ persamaan:
pola
square,
(b)
Obyek
III. METODE PENELITIAN Sistem mekatronika tomografi yang merupakan perpaduan sistem mekatronika dari gerak translasi dan rotasi obyek yang ditomografikan menggunakan motor stepper Astrosyn-23LM. Dibuat program dengan bahasa assembly pada mikrokontroler ATmega8535 untuk menggerakkan motor stepper sesuai dengan urutan pencatuan pada pole motor tersebut. Motor stepper rotasi dihubungkan dengan 4 bit masukan dari
(8)
Dimana ∆φ adalah resolusi sudut rotasi dan R adalah jari-jari rotasi tersebut. Jika dihubungkan dengan resolusi translasi ∆Xr maka untuk kasus pencitraan dengan model square sampling pada sistem tomografi harus memenuhi persamaan :
∆Y φ = ∆X r
(9)
Pemilihan besarnya ∆Yφ dan ∆Xr akan menentukan resolusi spasial dari citra hasil rekosntruksi [15].
titik
dalam
ruang
obyek,
(c)
Sinogram
berbentuk
sinusoidal
mikrokontroler pada Port C,0 – Port C,3 sedangkan untuk motor translasi dihubungkan pada Port C,4 – Port C,7 yang sebelumnya dikuatkan oleh penguat transistor bertingkat BD139 dan D313 di masing-masing pole. Untuk memberi perintah bekerjanya mikrokontroler menggerakkan motor stepper digunakan komputer yang keduanya dihubungkan melalui port serial COM1. Perintah pada komputer didesain melalui pemrograman Borland Delphi 7.
Seminar Instrumentasi Berbasis Fisika 2008 Bandung 28 Agustus 2008
Halaman 102
Gerakan motor stepper rotasi akan menyebabkan sampel berputar, sedangkan pada motor translasi menyebabkan sampel bergeser karena poli motor tersebut dihubungkan dengan ulir. Untuk mendapatkan kepresisian tinggi dan tenaga putar yang besar diberikan reducer yang digandengkan antara motor dan batang berulir. Sistem perangkat elektromekanika tomografi ultrasonik ditunjukkan Gambar 4. Pada sistem ini jarak translasi dan rotasi diatur dengan menghitung jumlah logika yang diberikan motor stepper yang berimplikasi terhadap sudut rotasi motor.
Pada sistem translasi dilakukan karakterisasi dengan menghitung jumlah pemberian pole motor stepper terhadap jarak translasi yang dihitung dengan jangka sorong digital. Gerakan dari perputaran motor stepper direduksi dengan poli 1:2,4 yang digandeng dengan pulir untuk menghasilkan gerak ke arah traslasi (Xr). Hasil karakterisasi resolusi gerak translasi dari sistem yang dibuat ditunjukkan Gambar 6. Dari persamaan tersebut diperoleh resolusi 0,005 mm/step.
Gambar 6. Hasil karakterisasi resolusi gerak translasi
Gambar 4. Sistem elektromekanika tomografi ultrasonik
IV.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian dari sistem dilakukan terhadap resolusi motor stepper, resolusi rotasi dan resolusi transalasi. Selanjutnya dilakukan pengujian untuk daerah scanning dengan parameter jari-jari sampel yang mengacu pada persamaan (8). Pengujian pada resolusi rotasi dilakukan dengan menghitung jumlah pemberian catu daya pada pole dalam satu putaran motor (3600). Hasil pengujian resolusi tersebut ditunjukkan pada Gambar 5. Dari grafik tersebut dapat diketahui dari gradien garisnya bahwa resolusi motor stepper yang digunkan adalah 1,8°/step. Pada sistem rotasi motor yang digunakan tidak diberikan reducer putar, maka resolusi tersebut sekaligus menunjukkan resolusi gerak rotasi (Yφ) dari sistem tomografi ini. Nilai tersebut dijadikan dasar penentuan jarak translasi untuk setiap jari-jari obyek yang ditomografikan.
Gambar 5. Hasil karakterisasi resolusi rotasi motor stepper.
Pada sistem tomografi dengan square sampling dibatasi dengan persamaan 9, dimana jarak rotasi ∆Yφ harus sama dengan jarak traslasi ∆Xr . Jarak rotasi berkaitan dengan ukuran dan jari-jari perputaran sampel sebesar ∆Yφ = ∆φ R. Sehingga besar jarak translasi selalu dibatasi dengan jari-jari rotasi sampel R. Untuk jumlah rotasi yang sama, dengan jari-jari yang berbeda akan berpengaruh terhadap resolusi spasial dari citra yang dihasilkan [28]. Pada penelitian ini dilakukan pengujian resolusi translasi dengan mengambil contoh jari-jari 25 mm, 50 mm, 75 mm 100 mm dan 150 mm. Tabel 1 merupakan perhitungan hubungan jarak rotasi ∆Yφ dan jarak translasi ∆Xr serta jumlah step yang diperlukan untuk mendapatkan jarak translasi. TABEL I. Perhitungan ∆Yφ, ∆Xr dan jumlah step untuk jarak translasi.
Jejari Rotasi (R) (mm)
Jarak Rotasi (∆Yφ =∆Xr ) (mm)
Jumlah Stepper/ 1 Translasi (N)
25 50
0.125 0.25
25 50
75
0.375
75
100
0.5
100
150
0.75
150
Selanjutnya dilakukan pengujian jarak yang diperoleh secara teoritik untuk jari-jari rotasi terpendek 25 mm seperti ditunjukkan Gambar 7. Dari grafik tersebut diperoleh hubungan perbandingan teoritik dan pengukuran dengan jangka sorong 1:0,998 dengan koefisiensi korelasi linier R = 99,95%. Nilai ini sekaligus menunjukan hubungan antara jarak rotasi dan jarak translasi.
Seminar Instrumentasi Berbasis Fisika 2008 Bandung 28 Agustus 2008
Halaman 101
[9]. Gian Piero Deidda, and Gaetano Ranieri, 2006, Seismic tomography imaging of an unstable embankment, Journal of Engineering Geology, Volume 82, Issue 1, December 2005, Pages 32-42 [10]
E.Jasiūnien÷, L.Mažeika, R.Šliteris , 1996, Experimental results in ultrasound reflection tomography for nondestructive testing, ULTRAGARSAS ISSN 1392-2114, Nr.1(26), July 1996
[11]
Warsito W., M. Ohkawa, N. Kawata, S. Uchida, 1999, Cross-sectional distributionsof gas and solid holdups in slurry bubble column investigated by ultrasonic computed tomography, Chem. Eng. Sci. 54 (1999) 4711–4728
[12]
Rahim R A, et al, 2008, Real time mass flow rate measurement using multiple fan beam optical tomography, ISA Transactions, vol 47 page 3-14
[13].
N. Reinecke, G. Petritsch, D. Schmitz, D. Mewes, 1998, Tomographic measurement techniques: visualization of multiphase flows, Chem. Eng. Technol, 21 (1998) 7–18
Gambar 7. Hasil pengujian jarak traslasi secara toritik dan pengukuran dengan jangka sorong untuk jari-jari scanning 2,5 mm.
V. KESIMPULAN Dari penelitian rancang bangun sistem elektromekanika pada sistem komputer tomografi ultrasonik dapat disimpulkan bahwa pada scanning tomografi harus diperhatikan hubungan antara jarak rotasional obyek harus sama dengan jarak translasinya. Dari hasil pengujian yang dilakukan pada sistem tomografi dengan square sampling yang dibuat diperoleh kesimpulan bahwa resolusi gerak rotasi adalah 1,8o/step. Pada pengujian gerak translasi diperoleh ketelitian 0,005 mm/step. Pada pengujian gerak traslasi yang didasarkan pada jari-jari obyek dan resolusi sudut rotasi, diperoleh hubungan teoritik dan hasil eksperimen 1:0,998 dengan koefisiensi korelasi linier R = 99,95% pada jari-jari rotasi tomografi 2,5 mm.
[14]. Pintavirooj C,et al, 2003, Journal of WSCG, , ISSN 1213-6972, Vol.12, No.1- 3 page 2-6 [15]. Suparta GB, 1999, Focussing Computed Tomography Scanner, A thesisi Submitted for Degree of Doctor of Phylosophy, Departemen of Physisc, Monash University, Australia
REFERENSI [1]. P.A.C Kak, M. Staley, 1998, Principles of Computerized Tomographic Imaging, IEEE Press, New York. [2].
Faux, S. W., et all, 1983, Spectral Characteristics and Attenuation Measurements in Ultrasound, Ultrason. Imaging, vol. 5, pp. 95-116
[3]. Kuc, R., 1994, Estimating Acoustic Attenuation from Reflected Ultrasound Signals: Comparison of SpectralShift and Spectral-Difference Approaches, IEEE Trans. Acoust. Speech Signal Processing, vol. ASSP-32, pp. 1-7, [4]. Jones H.W., 1993, Recent Activity in Ultrasonic Thomography and Application to Ultrasonics, Vol 31 no.5 pp.353-360 [5]. Philippe Lasaygues, 2006, Ultrasound in Medicine & BiologyAssessing the cortical thickness of long bone shafts in children, using two-dimensional ultrasonic diffraction tomography, Ultrasound in Medicine & Biology journal, Volume 32, Issue 8, August 2006, Pages 1215-1227 [6]. B.S. Hoyle, 1996, Process tomography using ultrasonic sensors, Meas. Sci. Technol.7 (1996) 272–280 [7]. ZHONG Xing-fu, et all, 2005, Ultrasonic tomography and its applications in oilfield, Journal of Zhejiang University SCIENCE ISSN 1009-3095 [8]. Jorge L Martins1, Jos´e A Soares2 and Jadir C da Silva2, 2007, Ultrasonic travel-time tomography in coreplugs, Geophysic Engineering Journal, Vol 4 2007 page 117–127
Seminar Instrumentasi Berbasis Fisika 2008 Bandung 28 Agustus 2008
Halaman 102
