bab iv perancangan dan implementasi
advertisement
BAB IV PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI Bab keempat ini menjelaskan perancangan dan impelementasi metode analisis parameter-parameter ultrasonik yang diperkirakan dapat dimanfaatkan untuk melakukan karakterisasi tulang dan memprediksi adanya keropos tulang. Di samping itu, pada bab ini juga dijelaskan susunan sistem pengambilan data ultrasonik yang digunakan. Bab Perancangan dan Implementasi ini diawali dengan penjelasan umum mengenai sistem Quantitative Ultrasound yang telah banyak digunakan secara klinis. Kemudian dilanjutkan dengan penjelasan sistem pengukuran ultasonik yang digunakan serta metode-metode analisis yang dirancang dan implementasinya. 4.1. Deskripsi Umum Quantitative Ultrasound Secara umum sistem Quantitative Ultrasound merupakan sistem diagnosa dengan metoda transmisi gelombang ultrasonik melewati objek. Diagram blok Quantitative Ultrasound ditunjukkan oleh gambar 4.1. Gambar 4.1 menunjukkan diagram blok QUS. Pada QUS komersial yang banyak beredar di pasaran, QUS bekerja dikendalikan suatu processing unit. Operator memberi masukan seperti umur pasien, jenis kelamin, dan kaki kanan atau kiri lewat keyboard. Processing unit mengirim perintah pada transmitter untuk membentuk pulsa listrik. Transducer pada satu sisi tumit mengubah pulsa listrik menjadi pulsa ultrasonik, yang mana akan menembus tumit pasien. Frekuensi gelombang ultrasonik yang banyak digunakan adalah antara 200-600 kHz dengan daya terkuat dipusatkan pada 450 kHz. Tulang tumit berperilaku seperti suatu low pass filter (LPF), menahan gelombang frekuensi tinggi dengan pelemahan yang besar. Suatu transducer pada sisi yang lain dari tumit dianalisis oleh program dalam processing unit. Gambar 4.1. Diagram Blok QUS Parameter yang telah umum digunakan pada QUS adalah parameter speed of sound (SOS) dan broadband ultrasound attenuation (BUA). Menurut definisi Langton, pengukuran BUA adalah pengiriman suatu pulsa ultrasonik berpita sempit menembus tulang dan diukur pelemahan intensitas pada frekuensi yang berbeda-beda. Jika nilainilai pelemahan ini diregresikan akan membentuk kurva BUA. 4.2. Akuisisi Data Sinyal Ultrasonik dan Spesifikasi Sistem Pengukuran Pengukuran dengan sinyal ultrasonik dilakukan dengan menggunakan metoda transmisi gelombang ultrasonik atau through transmission method. Sinyal ultrasonik yang digunakan adalah tone burst pulse atau memiliki banyak komponen frekuensi. Analisis terhadap atenuasi dan kecepatan dari gelombang ultrasonik akan digunakan untuk melakukan analisis kualitas tulang. Pertama-tama generator sinyal memberikan tegangan impuls eksitasi ke transduser pemancar sehingga transduser pemancar menghasilkan gelombang ultrasonik tone burst pulse. Gelombang ultrasonik ini kemudian dilewatkan pada tulang kalkanea atau tumit sukarelawan. Setelah melewati tulang kalkanea, gelombang ultrasonik ditangkap oleh transduser penerima. Kemudian, sinyal akustik gelombang ultrasonik yang diterima diubah oleh transduser menjadi sinyal listrik. Sinyal listrik inilah yang kemudian masuk ke osiloskop digital. Dari osiloskop digital sinyal listrik ini kemudian masuk ke komputer hingga dapat ditampilkan dan direkam serta dianalisis. Dari hasil rekaman tersebut kemudian dapat dianalisis atenuasi dan kecepatan gelombang ultrasonik. Sistem pengukuran yang digunakan pada penelitian ini adalah seperti tergambar pada diagram blok berikut ini pada gambar 4.2: Gambar 4.2 Sistem pengukuran dengan sinyal ultrasonik. Komponen-komponen perangkat keras adalah seperti tertulis pada tabel 4.1 di bawah ini: Tabel 4.1 Perangkat pengukuran sinyal ultrasonik. Nama Perangkat Fungsi Transduser ultrasonik Krautkramer- Pengubah Branson tipe Z1N 1 MHz sinyal listrik menjadi gelombang ultrasonik. Generator pulsa 4001 dari Global Membangkitkan pulsa listrik untuk Specialities Corporation memicu transduser menghasilkan gelombang ultrasonik. Amplifier ENI Model 2100L RF Menguatkan Power Amplifier pulsa listrik yang dihasilkan generator pulsa hingga tingkat tegangan yang dibutuhkan untuk memicu transduser. Flaw detector Krautkramer-Branson Menguatkan sinyal yang diterima oleh USIP 12 transduser penerima agar dapat dideteksi oleh osiloskop digital. Osiloskop digital ETC M621 150 ADC (analog to digital converter) MHz (dengan driver) dengan (sampling frekuensi frequency) pencuplikan 150 MHz sebagai antar muka sistem dengan PC yang dapat melakukan pencuplikan sinyal hasil transmisi dengan baik. PC yang kompatibel dengan parallel Penampil dan pengolah data yang port didapat dari rangkaian penerima Berikut ini adalah perangkat lunak yang ter-install pada Personal Computer: Tabel 4.2 Perangkat pengukuran sinyal ultrasonik. Nama Perangkat Fungsi Microsoft Windows XP Sistem operasi pada PC Software ETC M621 Windows Penampil keluaran osiloskop digital MATLAB 7 Analisis data ultrasonik Microsoft Excel 2003 Analisis data Region of interest atau ROI pengukuran pada tumit memiliki luas seluas permukaan transduser,yaitu sekitar 16,62 cm2. ROI pada tumit diperkirakan terletak pada titik 0,5 cm ke depan dari bagian belakang tumit dan 1,5 cm ke atas dari telapak kaki. Pemilihan ROI mengandalkan perabaan dari operator karena tidak memungkinkan untuk mendapatkan citra dari struktur tulang kalkanea sukarelawan. Untuk mengurangi efek ketidaktepatan pemilihan ROI, maka pengambilan data dilakukan di 3 titik yang berbeda di sekitar lokasi perkiraan ROI. Berikut ini dijelaskan spesifikasi perangkat-perangkat keras yang digunakan dalam penelitian Tugas Akhir ini: 4.2.1. Transduser Ultrasonik Frekuensi ultrasonik yang sampai saat ini umum digunakan untuk melakukan karakterisasi tulang adalah pada rentang frekuensi 0,5 MHz sampai 2,25 MHz. Pada penelitian ini digunakan transduser Kraukramer-Branson tipe Z1N dengan frekuensi tengah 1 MHz dengan lebar bandwidth 40%. Artinya, transduser bekerja pada rentang frekuensi 800 kHz sampai 1,2 MHz. Transduser ini adalah jenis transduser immersion atau anti air. Oleh karena itu, transduser perlu direndam dalam air pada penggunaannya. Transduser jenis immersion memiliki 3 keunggulan dibandingkan dengan transduser jenis kontak langsung atau contact transducer. Keunggulan-keunggulan tersebut adalah sebagi berikut: 1. Coupling yang seragam antara transduser dengan objek mengurangi variasi pada sensitivitas pengukuran. 2. Pengurangan waktu pemindaian pada pemindaian otomatis. 3. Focusing pada transduser immersion meningkatkan sensitivitas pada refelektor kecil. Pada penelitian ini dipilih jenis transduser immersion untuk mengurangi variasi sensitivitas. Dalam pengambilan data atau pengukuran ultrasonik pada objek diupayakan mengurangi faktor-faktor yang dapat mempengaruhi akurasi pengukuran, salah satunya adalah variasi pada sensitivitas. Namun, di sisi lain, pilihan menggunakan transduser immersion ini mengurangi kenyamanan pasien. Oleh karena itu, pada pengembangan selanjutnya hendaknya dapat didesain suatu perangkat yang memungkinkan penggunaan transduser immersion tetapi tetap memberikan kenyamanan pasien. Transduser dapat menghasilkan gelombang ultrasonik pada rentang frekuensi 800 kHz sampai 1,2 MHz dengan pemicu dapat berupa pulsa sempit tegangan tinggi atau sinyal sinusoidal dengan amplituda tidak terlalu tinggi. Pada penelitian ini digunakan pulsa sempit tegangan tinggi untuk memicu transduser. Pulsa sempit tegangan tinggi yang dipilih sebagai pemicu transduser agar kelak lebih mudah merealisasikan perangkat keras QUS dibandingkan dengan pemicu transduser berupa gelombang sinusoidal. 4.2.2 Generator Pulsa Generator pulsa dalam sistem ini berfungsi untuk memberikan energi listrik ke transduser pengirim. Energi listrik tersebut diberikan dalam bentuk sinyal impuls untuk eksitasi transduser agar membangkitkan gelombang ultrasonik. Generator pulsa ini dilengkapi dengan pengatur lebar pulsa dan pengatur waktu repetisi. Pada penelitian ini digunakan lebar pulsa 0,6 mikrosekon. Lebar pulsa ini didapatkan dari percobaan terhadap transduser. Dari percobaan awal diketahui bahwa transduser membangkitkan sinyal ultrasonik secara optimal pada lebar pulsa 0,6 mikrosekon. Selang waktu pengulangan di atur setiap 100 mikrosekon untuk memberikan selang waktu yang cukup bagi setiap periode sinyal ultrasonik sehingga tidak terjadi overlapping antara satu periode sinyal ultrasonik dengan periode sinyal ultrasonik berikutnya. Di samping itu, periode repetisi selama 100 mikrosekon masih dalam batas aman bagi pasien. Tingkat tegangan generator pulsa diatur pada tingkat tegangan 0,6 milivolt. Tingkat tegangan di atur pada nilai ini karena transduser dapat membangkitkan gelombang ultrasonik yang dapat menembus tulang ketika mendapatkan pulsa pemicu dengan tegangan minimal sekitar 180 volt. Oleh karena penguatan amplifier adalah tetap pada 50 dB, maka tingkat tegangan generator pulsa diatur pada nilai 0,6 volt. Tingkat tegangan dipilih seminimal mungkin agar paparan ultrasonik ke jaringan tubuh manusia masih dalam batas aman yang tidak membahayakan. Namun, terdapat kekurangan pada generator pulsa yang digunakan, yaitu tingkat tegangan tidak konstan sepenjang pengukuran melainkan berubah-ubah pada rentang tegangan sekitar 0,5 sampai 0,7 volt. Oleh karena itu, tegangan ultrasonik yang diterima pun berubah-ubah. Hal perlu diperhatikan pada analisis sinyal ultrasonik. 4.2.3 Penguat (Amplifier) Pada sistem pengukuran dibutuhkan 2 macam amplifier, yaitu amplifier pada bagian pengirim dan amplifier pada bagian penerima. 4.2.3.1. Penguat Bagian Pengirim Penguat pada bagian pengirim berfungsi untuk menguatkan pulsa sempit yang dibangkitkan oleh generator pulsa sampai tingkat tegangan yang cukup untuk memicu transduser pengirim membangkitkan gelombang ultrasonik. Penguat yang digunakan adalah amplifier ENI Model 2100L RF Power Amplifier. Amplifier ini memiliki penguatan hingga 50 dB atau sekitar 316,2 kali dengan tingkat tegangan masukan maksimum 1 volt. Penguatan amplifier ini tidak dapat diubah-ubah. 4.2.3.2. Penguat Bagian Penerima Sinyal yang diterima oleh transduser penerima terlalu kecil untuk langsung dideteksi oleh osiloskop digital. Oleh karena itu, dibutuhkan penguatan sebelum sinyal tersebut dapat diterima oleh osiloskop digital. Pada penelitian ini, digunakan bagian amplifier dari flaw detector Kratkramer-Branson USIP 12. Penguatan diatur pada tingkat 50 dB. Dengan penguatan 50 dB sinyal ultrasonik sudah dapat terdeteksi oleh osiloskop digital. 4.2.4. Osiloskop Digital Osiloskop digital berfungsi untuk menampilkan sinyal dan merekam sinyal pemicu transduser dan sinyal yang diterima oleh transduser penerima. Pada penelitian ini, osiloskop digital yang digunakan adalah osiloskop digital ETC M621. Osiloskop digital ini dapat mengukur sinyal dengan menggunakan dua kanal atau channel independen dengan resolusi ADC 8-bit dan sensitivitas tingkat tegangan mulai 5 volt/div hingga 10 milivolt/div. Resolusi waktu osiloskop digital mulai dari 50 milisekon/div hingga 10 nanosekon/div. Panjang sampel mulai dari 512 sampel hingga 32256 sampel. Untuk pengambilan data, osiloskop digital di-setting pada tingkat sensitivitas tegangan 100 milivolt/div dan resolusi waktu 5 mikrosekon/div sehingga frekuensi sampling-nya 10 MHz. Trigger osiloskop diatur otomatis menyesuaikan dengan trigger dari sinyal masukan. 4.2.5. Perangkat Mekanik Perangkat mekanik pada penelitian ini terdiri atas bak air dan statik transduser. Bak air dibuat dari bahan acrylic, sedangkan statik transduser dibuat dari bahan PVC. Bahan-bahan tersebut dipilih karena tidak berkarat, ringan, dan biaya pembuatannya relatif murah dibandingkan menggunakan bahan-bahan seperti aluminium atau stainless steel. Dimensi perangkat mekanik adalah sebesar 30x40x10 centimeter. Dalam pengambilan data, perangkat mekanik masih diatur manual karena otomatisasi belum menjadi ruang lingkup dari penelitian ini. Di masa yang akan datang, hendaknya perangkat mekanik dapat dirancang untuk otomatisasi untuk kenyamanan, kecepatan, serta akurasi region of interest. 4.3. Pengolahan Awal (Pre-processing) Sebelum dilakukan analisis dengan metode yang telah dirancang, perlu dilakukan pengolahan awal atau pre-processing terlebih dahulu terhadap data ultrasonik agar data sesuai dengan format yang dibutuhkan untuk pengolahan selanjutnya. Tahaptahap pengolahan awal yang dilakukan adalah sebagai berikut: 4.3.1. Sampling Sinyal Sampling sinyal dilakukan oleh osiloskop digital ETC M621 yang berfungsi sebagai ADC. Untuk akuisisi semua sinyal yang diterima, time/division dari osiloskop digital ETC M621 diatur pada 5 mikrosekon/div, dan dengan skala vertikal diatur pada 100 milivolt/div. Pada 5 mikrosekon/div, interval antara sampel adalah 100 nanosekon karena setiap division terdapat 50 sampel, sehingga sampling rate-nya adalah sebesar 10 MHz. 4.3.2. Konversi Format Data Data yang didapatkan dari osiloskop digital tidak dapat langsung diolah, tetapi format datanya harus disesuaikan terlebih dahulu. Pada penelitian ini, format data yang digunakan dalam pengolahan data adalah data berekstensi *.mat atau MATLAB data file. Sedangkan, data dari osiloskop digital ETC M621 adalah berupa data berekstensi *.xls atau file Microsoft Excel. 4.3.3. Pemotongan Data Data sinyal ultrasonik yang didapatkan dari osiloskop digital adalah sepanjang 32256 sampel untuk masing-masing objek. Dari 32256 sampel tersebut, ternyata tidak semuanya memiliki nilai. Maka, dilakukan pemotongan data mulai dari sampel ke 14001 sampai dengan sampel ke 32256, sehingga panjang data menjadi hanya 18256 sampel. 4.3.4. Penghilangan Komponen DC Setiap data sinyal ultrasonik yang didapatkan memiliki komponen DC atau nilai offset. Penghilangan komponen DC dilakukan untuk menghindari terjadinya pergeseran DC dari nilai sinyal yang diterima. Penghilangan komponen DC atau koreksi nilai offset dilakukan dengan mengurangi setiap nilai sampel dengan nilai rata-rata atau mean dari semua nilai sampel. 4.3.5. Penapisan Derau Penapisan derau atau noise filtering adalah tahap persiapan data dengan mengurangi derau dari data sinyal. Tapis atau filter yang digunakan adalah jenis tapis band pass filter. Jenis tapis ini dipilih karena selain derau frekuensi tinggi, terdapat juga derau berfrekuensi rendah yang berasal dari perangkat keras. Batas frekuensi penapisan diambil bandwidth 100 % dari bandwidth transduser, atau pada frekuensi 0,5 MHz sampai 1,5 MHz. Dengan penapisan ini, diharapkan derau yang mengganggu informasi pada data sinyal ultrasonik dapat ditekan atau dikurangi. 4.4. Metode Analisis Parameter Sinyal Ultrasonik Pada penelitian ini, parameter yang digunakan adalah parameter kecepatan dan atenuasi. Parameter-parameter dasar tersebut dikembangkan parameter-parameter turunan lainnya yang diharapkan dapat memberikan informasi yang lebih kaya tentang karakteristik material. Pada penelitian ini, dilakukan analisis parameter- parameter tersebut di atas terhadap komponen fastwave dan slowwave yang terdapat pada data ultrasonik. Parameter-parameter tersebut adalah sebagai berikut: 4.4.1. Speed of Sound (SOS) Seperti telah dijelaskan pada bagian sebelumnya, kecepatan ultrasonik merambat melalui medium bergantung pada densitas dan kompresibilitas dari material. Secara teoritis, kecepatan dihitung dengan mengukur waktu tempuh sinyal ultrasonik dan kemudian menjadi faktor pembagi jarak antar transduser. Atau dengan formula v= d . Waktu tempuh diukur dengan mendeteksi puncak pertama dari sinyal Δt ultrasonik yang diterima. Pada penelitian ini pengukuran kecepatan dilakukan dengan mendeteksi nilai maksimal dari pulsa trigger dan nilai maksimal dari sinyal ultrasonik yang diterima pada suatu periode sinyal. Penggunaan nilai maksimal sebagai acuan karena, puncak pertama sinyal ultrasonik sulit dideteksi. Oleh karena, waktu kemunculan nilai maksimal cukup konsisten pada suatu rentang waktu dan pada penelitian ini tidak terlalu ditekankan untuk mendapatkan nilai pasti dari kecepatan, maka penggunaan nilai maksimal sebagai acuan masih dapat dibenarkan. Selisih dari indeks nilai maksimal pulsa trigger dan nilai maksimal sinyal ultrasonik dikalikan dengan periode frekuensi sampling, yaitu sebesar 0,1 mikrosekon. Kemudian, nilai waktu yang didapatkan tersebut dikurangi waktu tunda yang merupakan selisih antara generator pulsa dengan transduser pengirim. Maka, didapatkanlah waktu tempuh ultrasonik pada medium atau objek. Pengukuran jarak antar transduser atau tebal objek dilakukan dengan menggunakan jangka sorong dengan ketelitian hingga 1 milimeter. Pada penelitian ini, akan dihitung juga kecepatan fastwave dan slowwave yang terdapat pada data sinyal ultrasonik. Diharapkan perhitungan kecepatan fastwave dan slowwave akan memberikan informasi tambahan tentang karakteristik material. Menurut Cardoso (2001), fastwave lebih berkaitan dengan komponen sinyal frekuensi rendah, sedangakan slowwave lebih berkaitan dengan komponen sinyal frekuensi tinggi. Berdasarkan teori tersebut, maka untuk melakukan perhitungan kecepatan fastwave dan slowwave, dilakukan penapisan lolos rendah dan lolos tinggi terlebih dahulu pada sinyal ultrasonik agar didapatkan komponen frekuensi fastwave dan slowwave. 4.4.2. Broadband Ultrasound Attenuation (BUA) Pada jaringan, gelombang ultrasonik mengalami kehilangan energi yang kemudian disebut sebagai redaman atau atenuasi. Faktor yang menyebabkan terjadinya redaman antara lain: beam spreading, scattering, absorption, dan mode conversion. Pada tulang kalkanea, faktor yang paling mempengaruhi atenuasi adalah adanya scattering. Scattering utamanya disebabkan oleh perbandingan panjang gelombang ultrasonik terhadap ukuran partikel scattering dan impedansi akustik dari partikel scattering. Menurut definisi Langton, pengukuran BUA adalah pengiriman suatu pulsa ultrasonik yang memiliki beberapa komponen frekuensi menembus tulang dan kemudian diukur pelemahan intensitas pada frekuensi yang berbeda-beda. Nilai-nilai pelemahan ini apabila diregresikan akan membentuk kurva BUA. Redaman pada setiap frekuensi dapat diformulasikan sebagai berikut: A( f ) = | Vsample( f ) | | Vref ( f ) | (4.1) BUA adalah regresi dari ln A(f) yang merupakan atenuasi setiap frekuensi pada sinyal ultrasonik yang ditransmisikan. Prinsip dasar penghitungan BUA adalah seperti pada diagram alir berikut ini: Data Ultrasonik Referensi Sampel Fast Fourier Transform ln A(f) = ln ( |Vsampel(f)| / |Vref(f)| ) Regresi Broadband Ultrasound Attenuation (BUA) Gambar 4.3 Prinsip dasar perhitungan BUA. Implementasi dari prinsip dasar di atas untuk sinyal lengkap, fastwave, dan slowwave adalah seperti terlihat pada diagram blok di bawah ini: Gambar 4.4 Implementasi perhitungan BUA pada sinyal lengkap Dari prinsip dasar kemudian diimplementasikan menjadi seperti diagram pada gambar 4.4. Diimplementasikan filter smooth dengan algoritma Savitzky-Golay karena algoritma ini melakukan smoothing nilai-nilai pada spektrum frekuensi dengan halus sehingga tidak jauh berbeda dibandingkan dengan nilai sesungguhnya. Dilakukan pemotongan frekuensi sebanyak dua kali karena filter smoothing cemderung membuat nilai-nilai di ujung-ujung spektrum frekuensi menjadi nol. Maka, tidak langsung dilakukan pemotongan frekuensi pada daerah 0,7 – 1 MHz. Daerah frekuensi dipilih pada daerah tersebut karena linearitasnya yang masih seragam. Gambar 4.5 Implementasi perhitungan BUA pada fastwave Bagian sinyal fastwave terdapat pada sekitar 50 sampel pertama dari satu periode sinyal sehingga pada perhitungan faswave dilakukan pemotongan 50 sampel pertama dari satu periode sinyal pada domain waktu. Kekurangan data sampel pada FFT diperbaiki dengan melakukan zero padding. Gambar 4.6 Implementasi perhitungan BUA pada slowwave. Data referensi adalah data sinyal ultrasonik yang melalui air atau dengan kata lain, tanpa adanya objek di antara transduser. Fast Fourier Transform Langkah awal analisis BUA adalah melakukan transformasi sinyal dari domain waktu ke domain frekuensi dengan Transformasi Fourier. Dalam hal ini, transformasi dilakukan dengan algoritma Fast Fourier Transform (FFT). FFT dilakukan dengan menggunakan fungsi fft.m yang ada pada toolbox MATLAB 7.0. FFT dilakukan sesuai panjang data pada domain waktu. Untuk optimasi FFT, panjang data pada domain waktu disesuaikan menjadi 2N. Smooth Filtering Hasil FFT pada data sampel umumnya tidak halus. Untuk mengurangi kesalahan pada regresi, dilakukan smooth filtering agar perubahan nilai-nilai spektral daya pada tiaptiap frekuensi tidak terlalu tajam. Smooth filtering menggunakan algoritma SavitzkyGolay. Algoritma Savitzky-Golay melakukan regresi polynomial pada suatu distribusi untuk menentukan nilai paling halus untuk setiap titik. Keunggulan dari pendekatan ini adalah kecenderunganya untuk menjaga fitur dari distribusi seperti nilai maksimal relatif, nilai minimal realatif, dan lebar, yang umumnya menjadi berubah pada aplikasi teknik perata-rataan lain. Rentang Frekuensi Daerah frekuensi analisis BUA diambil pada 0,7 MHz sampai 1 MHz karena pada kalkanea ultrasonik memiliki perilaku berbeda antara rentang 0,5 -1 MHz dan 1-2 MHz. Di bawah 400 kHz pengukuran atenuasi menunjukkan perilaku yang nonlinear, tetapi linear pada 400-800 kHz. Atenuasi menunjukkan perbedaan perilaku antara rentang 1-2 MHz dibandingkan dengan rentang 0,5 – 1 MHz. Pada rentang frekuensi yang lebih rendah, BUA menunjukkan sebuah korelasi positif yang signifikan dengan kepadatan pada arah anterior-posterior (AP) dan medialateral, tetapi tidak pada orientasi superior-inferior. Pada frekuensi yang lebih tinggi, BUA menunjukkan sebuah korelasi positif yang signifikan dengan kepadatan hanya pada orientasi superior-inferior.
