ABSTRAK PENGEMBANGAN SIMULATOR

ABSTRAK
PENGEMBANGAN SIMULATOR PENGUKURAN
KONSENTRASI HEMOGLOBIN NON INVASIVE BERBASIS
GIANT MAGNETORESISTANCE
Oleh
Ahmad Aminudin
NIM : 30211002
(Program Studi Fisika)
Dalam disertasi ini, telah dilakukan penelitian pengembangan simulator
pengukuran konsentrasi hemoglobin non
invasive berbasis giant
magnetoresistance. Tujuan penelitian ini adalah mendesain dan mengembangkan
simulator pengukuran konsentrasi hemoglobin secara non invasive berdasarkan
sifat magnetik hemoglobin. Adapun tujuan khusus dari penelitian yaitu: 1)
mengembangkan rangkaian giant magnetoresistance (GMR) untuk deteksi medan
magnet lemah, 2) mendesain dan membuat sumber medan magnet kuat untuk
magnetisasi sampel dalam simulator pengukuran, 3) mengembangkan rangkaian
penguat sinyal dan pengolah sinyal sensor GMR, 4) mendesain dan membuat
pembangkit aliran fluida sebagai model aliran dalam pembuluh darah, 5)
membuat prototipe simulator pengukuran hemoglobin non invasive, dan 6)
mengetahui kemampuan simulator pengukuran konsentrasi feri klorit, porfirin dan
hemoglobin.
Desain simulator ini dibuat untuk mendapatkan model pengukuran konsentrasi
hemoglobin tanpa mengambil sampel darah (non-invasive). Simulator pengukuran
konsentrasi ini, terdiri dari tempat sampel, pembangkit aliran fluida, magnet
permanen, sensor GMR, penguat sinyal, ADC, unit pemroses sinya, display dan
personal computer (PC). Pembangkit aliran fluida akan mengalirkan larutan
secara terkontrol, kemudian larutan akan termagnetisasi oleh magnet permanen.
Ketika larutan mengalir dibawah sensor GMR, keadaan termagnetisasinya larutan
akan direspon oleh sensor GMR. Sinyal keluaran sensor GMR diperkuat oleh
penguat sinyal yang selanjutnya dikonversi menjadi sinyal digital agar mudah
diolah.
Respon tegangan sensor GMR terhadap sumber medan magnet 1,1 T untuk variasi
jarak pada arah sumbu X menunjukkan tegangan saturasi 372,3 mV pada jarak 2
cm dan tegangan cut-off 29,3 mV pada jarak 10 cm sampai akhirnya
menunjukkan tegangan 21,8 V pada jarak 22 cm. Pada arah sumbu Y, pengujian
respon sensor GMR menunjukkan tegangan saturasi 373,0 mV pada jarak 3 cm
dan tegangan cut-off 21,8 mV pada jarak 22 cm. Hal ini menunjukkan bahwa
penempatan sensor GMR setelah melewati jarak 10 cm pada arah X dan 22 cm
arah Y, dapat dijadikan rekomendasi sebagai nilai batas dalam pengukuran medan
magnet aliran fluida pada desain simulator pengukuran.
i
Hasil pengujian faktor penguatan rangkaian penguat sinyal menunjukkan bahwa
pada pengaturan gain 10 kali diperoleh 9,5 ±1,2 dan pada pengaturan gain 100
kali diperoleh 97,3 ± 0,8. Pada pemberian tegangan masukan lebih besar 50mV
menghasilkan tegangan keluaran jenuh (cenderung konstan) yaitu 4,26 V karena
terpotong tegangan sumber Vcc dari ICAD524.
Hasil pengujian karakteristik arus tegangan motor DC tanpa beban roller
menunjukkan bahwa pada tegangan input 0,5 V, motor DC belum berputar dan
mulai berputar ketika tegangan input yang diberikan setelah melewati 1,0 V. Arus
motor DC bertambah 0,10 A setiap kenaikan tegangan input 1 V. Karakteristik
arus tegangan motor DC dengan beban roller menunjukkan bahwa pada tegangan
input kurang dari1,5 V, motor DC belum berputar dan mulai berputar ketika
tegangan input 1,5 V. Arus motor DC bertambah 0,08 A setiap kenaikan tegangan
input 1 V.
Karakterisasi kecepatan sudut terhadap tegangan kontrol menunjukkan bahwa
rata-rata respon kecepatan sudut roda gigi-1 sebesar 3,939 rpm/Volt dan roda
gigi-2 sebesar 1,313 rpm/Volt untuk setiap kenaikan tegangan 1 Volt. Hasil
pengujian laju aliran volume diperoleh nilai sensitivitas sebesar 1,429 x 10 -3
mL/Volt berdasarkan perhitungan dan 1,431 x 10-3 mL/Volt berdasarkan
pengukuran. Hasil pengujian ini diterapkan pada pengujian respon sensor GMR
terhadap konsentrasi larutan FeCl3 dengan laju aliran 3,42 cm/s diperoleh
sensitivitas sebesar 0,056 mV/µM.
Hubungan respon sensor GMR terhadap konsentrasi porfirin dipengaruhi oleh laju
aliran. Hasil pengujian pada konsentrasi porfirin menunjukkan bahwa pada laju
aliran porfirin 3,42 cm/s, 3,66 cm/s, 3,78 cm/s, 3,94 cm/s, dan 3,99 cm/s memiliki
sensitivitas 0,13 mV/µM. Setiap perubahan konsentrasi porfirin 1 µM, sensor
GMR mengalami perubahan tegangan sebesar 0,13mV (menggunakan penguatan
100 kali). Laju aliran mempengaruhi jumlah momen magnetik yang mengalir tiap
detiknya sehingga mempengaruhi nilai magnetisasi. Pengujian resolusi terhadap
konsentrasi porfirin diperoleh sebesar 8x10-6 M .
Karakterisasi respon tegangan sensor GMR terhadap konsentrasi hemoglobin
dengan variasi laju aliran menunjukkan bahwa pada laju aliran 0,29 cm/s
sensitivitas sensor GMR sebesar 20,22 mV/(g/dL), pada laju aliran 0,31 cm/s
sensitivitas sebesar 20,34 mV/(g/dL) , pada laju aliran 0,33mL/s, sensitivitas
sensor GMR terhadap hemoglobin sebesar 20,45 mV/(g/dL) , Pada laju aliran 0,35
cm/s. GMR memiliki sensitivitas sebesar 20,59 mV/(g/dL) dan pada laju aliran
0,37 cm/s diperoleh sensitivitas sebesar 20,95 mV/(g/dL). Meningkatnya laju
aliran direspon oleh sensor GMR dengan sensitivitas semakin besar. Semakin
cepat laju aliran menyebabkan volume hemoglobin yang diindera sensor GMR
tiap detiknya semakin banyak. Secara keseluruhan, pengembangan simulator
pengukuran konsentrasi hemoglobin secara non-invasive berbasis giant
magnetoresistance telah berhasil dibuat.
ii
Simulator pengukuran konsentrasi hemoglobin ini menggunakan aliran fluida
dengan kecepatan aliran 0,05 – 0,4 cm/s yang dapat mewakili kecepatan aliran
pada pembuluh darah capillaries yaitu sekitar 0,1 cm/s yang bersifat konstan.
Untuk mendapatkan laju aliran yang berosilasi seperti pada pembuluh darah yang
besar (aorta dan vena cava) diperlukan pengembangan pembangkit laju aliran
yang berosilasi mengikuti denyut jantung manusia.
Kata kunci : Sensor GMR, Sensitivitas, hemoglobin meter, metode non- invasive,
medan magnet, simulator
iii
ABSTRACT
SIMULATOR DEVELOPMENT OF NON INVASIVE
MEASUREMENT OF HEMOGLOBIN CONCENTRATION
BASED ON GIANT MAGNETORESISTANCE
By
Ahmad Aminudin
NIM: 30211002
(Doctoral Study Program of Physics)
Research and simulator development of non-invasive measurement of
hemoglobin concentration based on giant magnetoresistance. The purpose of this
study designed and developed the simulator measurement of hemoglobin
concentration in a non invasive based on the magnetic properties of hemoglobin.
The specific objectives of the research are: 1) Develop a circuites of giant
magnetoresistance (GMR) sensors for measuring weak magnetic fields, 2) Design
and create a source of strong magnetic field for intrumentation system, 3)
Develop of signal amplifier and signal processor analog sensor GMR, 4) Design
a model of generator for the fluid flow in the blood vessels, 5) Measuring devices
to create a prototype non-invasive hemoglobin levels, and 6) Testing to determine
the ability of sensor for sensing the concentration of ferric chlorite, porphyrin and
hemoglobin.
Simulator design is made to get the hemoglobin concentration measurement
model without taking blood samples (non-invasive). The Simulator measurement
is consists of a sample, fluid flow generator, a permanent magnet, GMR sensor,
signal amplifier, ADC, processing unit, display and personal computer (PC).
Plants will drain the fluid flow is controlled solution, then the solution will be
magnetized by the permanent magnet. While the solution is flowing below the
GMR sensor, solution will be responded by the GMR sensor. GMR sensor output
signal is amplified by a signal amplifier which then is converted into a digital
signal to be easily processed.
Response of GMR sensor voltage to the magnetic field 1,1 T versus distance
variation on the X-axis direction indicates the saturation voltage 372.3 mV at a
distance of 2 cm and cut-off voltage 29.3 mV at a distance of 10 cm to finally
shows a voltage of 21.8 mV at a distance of 22 cm. On the Y-axis direction, testing
GMR sensor response indicates the saturation voltage 373.0 mV at a distance of 3
cm and cut-off voltage 21.8 mV at a distance of 22 cm. This indicates that the
GMR sensor placement after passing a distance of 10 cm in the direction of the X
and Y directions 22 cm, can be recommended as the limit value in design of the
measurement of the fluid flow magnetic field.
iv
Results of testing the amplification factor of amplifier circuit indicates that the
gain setting 10 times gained 9.5 ± 1.2, and the gain setting 100 times obtained
97.3 ± 0.8. In granting greater input voltage 50mV produces saturated output
voltage (relatively constant) is 4.26 V for truncated source voltage Vcc of
ICAD524.
Results of tests the current-voltage characteristics of a DC motor with no load
roller indicates that the input voltage of 0.5 V, DC motor is not spinning and start
spinning when the input voltage is 1.0 V. granted after passing a DC motor Flow
increased 0.10 A any increase in voltage 1 V. input current-voltage
characteristics of DC motor with the load roller indicates that the input voltage is
less from 1.5 V, dc motor is not spinning and start spinning when the input
voltage is 1.5 V. DC motor current increases 0.08 A any increase in the input
voltage
1
V.
Characterization of the angular velocity of the control voltage shows that the
average response of the angular velocity of the gear-1 at 3.939 rpm/Volt and 2nd
gear at 1.313 rpm/Volt for every increase 1 Volt. The test results obtained by the
value of the volume flow rate sensitivity of 1.429 x 10 -3 mL/Volt based on the
calculation and 1.431 x 10-3 mL/Volt based measurements. The results of these
tests applied to test the GMR sensor response to concentration FeCl3 solution
with a flow rate of 3.42 cm/s obtained a sensitivity of 0.056 mV/lm.
GMR sensor response relationship to porphyrin concentrations are influenced by
the flow rate. The test results showed that the flow rate of the porphyrin 3.42 cm/s,
3.66 cm/s, 3.78cm/s, 3.94 cm/s 3.99 cm/s have sensitivity 0.13 mV/μM. It shows
more and more solution volume shows the volume of the magnetic moment more
so the greater the value of magnetization. Values greater magnetization generates
a magnetic field which is great so the greater sensing GMR sensor. These results
also show the GMR sensor capable of responding consentration porphyrins on the
order of micro mollar.
Characterization of GMR sensor voltage against variations in hemoglobin levels
with a flow rate indicates that the flow rate of 0.29 cm/s GMR sensor sensitivity of
20.22 mV/(g/dL), the flow rate of 0.31 cm/s sensitivity of 20.34 mV/(g/dL), at a
flow rate 0.33 cm/s, the GMR sensor sensitivity to hemoglobin of 20.45 mV/(g/dL),
at a flow rate of 0.35 cm/s. GMR has a sensitivity of 20.59 mV/(g/dL) and at a
flow rate of 0.37 cm/s obtained a sensitivity of 20.95 mV/(g/dL). The flow rate
increases responded by GMR sensor with greater sensitivity. Increase in the flow
rate of the GMR sensors respond with greater sensitivity. The faster the flow rate
cause hemoglobin volume per second GMR sensors to feel more and more.
Volume of hemoglobin increasingly affect the volume of the magnetic moment of
hemoglobin, so the greater the value of the magnetization. Magnetization larger
value generates a magnetic field which is great so the greater the GMR sensor
taste. Overall, the measurement of the concentration of simulator development is
a non-invasive hemoglobin-based giant magnetoresistance has been successfully
created.
v
Simulator measurement uses of a flow rate of 0.05 to 0.4 cm/s to represent the
flow velocity in the blood vessel capillaries is about 0.1 cm/s which is constant. To
obtain an oscillating flow rate as in large blood vessels (ao rta and vena cava)
requires the development of plants which oscillates flow rate follows the human
heart rate.
Key word: GMR sensor, Sensitivitive, hemoglobin meter, non-invasive mothod,
magnetic field, simulator.
vi