KEMENTRIAN RISET, TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI NATIONAL ESSAY COMPETITION (NEC) UKM PENALARAN DAN RISET ILMIAH MAHASISWA (PRIMA) UNIVERSITAS MATARAM Sekretariat: Jl. Pemuda blok C, Gedung PKM UNRAM lt.2 No. Hp: 082340371067 Email: [email protected] Web: nec.primaunram.com NATIONAL ESSAY COMPETITION 2018 Subtema: Kesehatan Judul Essay Pengembangan SCCS (Solid Conduction Cryosurgery System) Rendah Biaya untuk Menurunkan Biaya Pengobatan Kanker Serviks Oleh : Rivaldo Gere Gurky 1606878663 Teknik Mesin/2016 Bintang Farhan Muhammad 1706986334 Teknik Mesin/2017 Universitas Indonesia Depok 2018 KEMENTRIAN RISET, TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI NATIONAL ESSAY COMPETITION (NEC) UKM PENALARAN DAN RISET ILMIAH MAHASISWA (PRIMA) UNIVERSITAS MATARAM Sekretariat: Jl. Pemuda blok C, Gedung PKM UNRAM lt.2 No. Hp: 082340371067 Email: [email protected] Web: nec.primaunram.com KANKER SERVIKS DAN CRYOSURGERY Kanker serviks adalah penyakit kanker dengan angka kematian wanita tertinggi kedua di Indonesia, dimana setiap harinya ada 20 hingga 25 wanita meninggal akibat kanker jenis ini. Kanker serviks itu sendiri menyerang penderita pada bagian leher rahim. Menurut kanker.kemkes.go.id penyebab kanker serviks adalah virus HPV (Human Papilloma Virus) sub tipe onkogenik, terutama pada sub tipe 16 dan 18. Berdasarkan laman resmi rumah sakit kanker dharmais, biaya penanganan serta mengobati kanker bergantung kepada tingkatan dan seberapa kronis kanker tersebut. Biaya yang ditawarkan oleh rumah sakit dharmais terhadap penanganan inipun bervariasi. Berdasarkan biaya yang dipaparkan oleh rumah sakit dharmais, harga tersebut tentu dapat menyulitkan bagi pasien yang tergolong kedalam kalangan menengah ke bawah. Cryosurgery adalah salah satu teknologi pengobatan kanker serviks dan tingkat keberhasilannya cukup tinggi. Cryosurgery ini adalah metode penyembuhan dengan menggunakan suhu rendah yang diaplikasikan kepada tumor sehingga dapat menyebabkan kerusakan pada tumor yang diperlakukan metode ini (Castro-Ron and Pasquali, 2005). Teknologi cryosurgery ini menggunakan nitrogen cair. Nitrogen cair dikatakan ampuh untuk proses penyembuhan karena dapat membekukan tumor dengan cepat tetapi memiliki tingkat kesulitan dalam menyimpan yang cukup tinggi karena nitrogen yang memiliki titik didih pada -195.79 oC, sehingga, pada suhu ruangan yaitu 27 oC, nitrogen akan menguap dengan cepat. Lalu ketika menguap, nitrogen dapat memuai hingga 765 kali lebih besar dan juga dapat menghasilkan tekanan yang tinggi kepada media penyimpanan dan tekanan yang berlebih tersebut dapat menyebabkan ledakan dan tentu hal tersebut dapat berbahaya. Hal ini dapat dicegah dengan menempatkan nitrogen dengan katup yang dapat otomatis terbuka ketika nitrogen sudah mencapai tekanan tertentu tetapi hal tersebut dapat membuang zat nitrogen terbuang dan lama kelamaan jumlahnya dapat berkurang dan teknologi terhitung mahal karena harus membeli cairan nitrogen. 1 KEMENTRIAN RISET, TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI NATIONAL ESSAY COMPETITION (NEC) UKM PENALARAN DAN RISET ILMIAH MAHASISWA (PRIMA) UNIVERSITAS MATARAM Sekretariat: Jl. Pemuda blok C, Gedung PKM UNRAM lt.2 No. Hp: 082340371067 Email: [email protected] Web: nec.primaunram.com METODE PENGEMBANGAN SCCS (Solid Conduction Cryosurgery System) Inovasi yang diajukan berdasarkan hasil pengujian dari sebuah prototipe yang serupa. Pengujian dijalankan untuk meningkatkan performa dari alat cryosurgery yang menggunakan modul termoelektrik sebagai sistem pendingin utama dan alat penukar kalor water block sebagai pendingin sisi panas modul termoelektrik dengan beberapa variasi temperatur fluida pendingin dan kecepatan aliran fluida. Nilai akhir yang dijadikan parameter utama adalah temperatatur yang dicapai pada bagian ujung probe. Sebagai dasar penentuan besaran arus listrik yang dialirkan ke modul termoelektrik digunakan grafik COP modul termoelektrik tingkat dua yang digunakan sekitar 5,5 A (Karimi et al, 2011). PERANCANGAN DESIGN ALAT CRYOSURGERY PROTOTYPE 4 8 Gambar 1. Spesifikasi Desain Alat 1 No 2 2 Nama Komponen 1 5 3 6 7 Material Dimensi (mm) Double Stage Peltier Bismuth 40 X 40 X 8 3 mm 2 Body Cover High Density Polyethilane - 3 Pipa Tembaga Copper Diameter 7 mm dengan panjang 280 mm 4 Water Block Copper 46 X 48 X 10 mm 5 Plat Tembaga Copper 40 X 40 X 8 mm 6 Cryoprobe Emas - 7 Lampu - - 8 Selang Polyurethane Polyurethane Tabel 1. Spesifikasi Desain dan Komponen 2 KEMENTRIAN RISET, TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI NATIONAL ESSAY COMPETITION (NEC) UKM PENALARAN DAN RISET ILMIAH MAHASISWA (PRIMA) UNIVERSITAS MATARAM Sekretariat: Jl. Pemuda blok C, Gedung PKM UNRAM lt.2 No. Hp: 082340371067 Email: [email protected] Web: nec.primaunram.com INSTALASI PENGUJIAN Dari pengujian yang pernah dilakukan, pengambilan data prototipe terdiri dari beberapa tahapan instalasi yang harus dilakukan secara berurutan. Tahap pertama adalah mengoleskan silicon compound atau thermal paste pada sisi bawah dan atas plat start probe, sisi panas dan sisi dingin modul termoelektrik, dan bagian bawah water block yang kontak dengan sisi panas dari termoelektrik. Thermal paste berguna untuk mencegah adanya udara yang terperangkap di antara dua bidang yang besentuhan. Selanjutnya adalah pemasangan termokopel pada bagian end probe. Setelah termokopel dipasang, komponen casing, water block, modul termoelektrik, dan probe disusun menjadi satu bagian. Modul termolektrik disusun paralel dengan tujuan untuk mendapatkan heat pump yang lebih besar. Proses berikutnya adalah menghubungkan selang konektor water block dengan konektor pada Circulating thermostatic bath (CTB) dan kabel dari termoelektrik dengan power supply. Circulating thermostatic bath (CTB) berfungsi untuk menjaga temperatur fluida kerja dan memompa fluida tersebut ke dalam water block serta mendinginkan kembali fluida kerja yang menyerap kalor dari sisi panas modul termoelektrik. Untuk mendapatkan temperatur fluida kerja yang lebih rendah dari 0oC maka fluida kerja yang digunakan adalah radiator coolant dengan titik beku -18oC. Untuk mencegah terjadinya heat loss di sekitar casing, maka di sekeliling water block dilapisi thermaflex berbentuk lembaran. Thermaflex dipilih karena memiliki konduktivitas termal yang sangat kecil, yaitu 0,034 W/mK at 0oC. Sedangkan untuk mengisi ruang kosong yang ada pada casing digunakan glass wool sebagai tambahan isolasi. Gambar 2. Dimensi termolektrik tingkat 2 [36] Specification Geometric Coefficient (ζ) Hot Side Temperature (oC) 1 25 QMax (W) 39.9 ΔTMax (oC) 87 Imax (A) 6,8 VMax (V) 15,8 Tabel 2. Spesifikasi termoelektrik Laird Technologies kode suffix 1126. 3 KEMENTRIAN RISET, TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI NATIONAL ESSAY COMPETITION (NEC) UKM PENALARAN DAN RISET ILMIAH MAHASISWA (PRIMA) UNIVERSITAS MATARAM Sekretariat: Jl. Pemuda blok C, Gedung PKM UNRAM lt.2 No. Hp: 082340371067 Email: [email protected] Web: nec.primaunram.com Setelah semua komponen tersusun, langkah selanjutnya adalah mengaktifkan dan mengatur CTB sesuai dengan ketentuan yang diinginkan. Modul data akuisisi diaktifkan sebelum power supply diaktifkan. Power supply diaktifkan setelah temperatur fluida pada CTB stabil pada temperatur yang diinginkan. Modul data akuisisi akan membaca temperatur yang diukur oleh termokopel. ANALISIS PENGUJIAN Pengujian prototype dilakukan dalam dua tahap yaitu, tahap pertama dengan variasi temperatur CTB dan tahap kedua dengan variasi arus masukan modul elektrik dengan total durasi selama 20 menit. Variasi temperatur CTB yang digunakan adalah -5°C, -10°C, dan -15°c. Agar fluida dapat bekerja dibawah temperatur 0°C, digunakan water coolant yang memiliki titik beku -18°C. Variasi arus masukan modul termoelektrik yang digunakan adalah 5 A, 5,2 A, dan 5,5 A. Modul termoelektrik yang digunakan memiliki spesifikasi arus maksimum 6,8 A dan tegangan maksimum 15,8 V. Gambar 3. Grafik temperatur end probe dengan variasi temperature CTB pada arus masukan 5,5 A ANALISIS GRAFIK VARIASI TEMPERATUR CTB Grafik yang digunakan merupakan pengujian pada arus masukan modul termoelektrik 5,5 A. Dapat dilihat pada gambar 4 bahwa temperatur end probe pada ketiga variasi temperatur CTB mengalami penurunan suhu yang serupa, cepat dari menit ke 1 hingga menit ke 5, mengalami penurunan perlahan dari 4 KEMENTRIAN RISET, TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI NATIONAL ESSAY COMPETITION (NEC) UKM PENALARAN DAN RISET ILMIAH MAHASISWA (PRIMA) UNIVERSITAS MATARAM Sekretariat: Jl. Pemuda blok C, Gedung PKM UNRAM lt.2 No. Hp: 082340371067 Email: [email protected] Web: nec.primaunram.com menit ke 6 hingga menit ke 9 dan mengalami kondisi stabil mulai pada menit ke 12. Rincian sebagai berikut. Suhu CTB Suhu Awal -5°c 0.39°c -10°c -3,47°c -15°c Suhu Ratarata dari Menit ke-13 Perubahan Suhu Maksimum dari menit ke-12 -48,4°c -48,09°c 0,09°c -51,13°c -51,02°c 0,09°c Suhu Terendah -5,30°c -51,16°c -51,38°c 0,1°c Tabel 3. Data temperatur end probe hasil pengujian variasi temperatur CTB ANALISIS GRAFIK VARIASI MASUK Grafik didapatkan dari hasil pengolahan dengan ketentuan dan nilai variasi yang ditetapkan pada pengujian. Grafik yang digunakan merupakan pengujian pada temperatur CTB -10°C. Dapat dilihat pada Gambar 5 bahwa temperatur end probe pada ketiga variasi arus masuk mengalami penurunan yang cepat pada menit ke 1 hingga menit ke 5 dengan arus masuk 5,5 A mengalami penurunan yang paling cepat. Penurunan temperatur ketiga variasi mulai melambat pada menit ke 6 hingga menit ke 9 dan rata-rata mengalami kondisi stabil mulai pada menit ke 13. Rincian sebagai berikut. Gambar 4. Grafik temperatur end probe dengan variasi arus masukan pada temperatur CTB -10°c dan kecepatan pompa 3500 rpm 5 KEMENTRIAN RISET, TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI NATIONAL ESSAY COMPETITION (NEC) UKM PENALARAN DAN RISET ILMIAH MAHASISWA (PRIMA) UNIVERSITAS MATARAM Sekretariat: Jl. Pemuda blok C, Gedung PKM UNRAM lt.2 No. Hp: 082340371067 Email: [email protected] Web: nec.primaunram.com ANALISIS EKONOMI Jenis Pengobatan Biaya (dalam Rupiah) Operasi Level 7 51.750.000,00 Operasi Level 1 19.800.000,00 Kemoterapi Taxan 8.700.000,00 Operasi Level 2 30.000.000,00 Operasi Level 3 32.200.000,00 Kemoterapi Non- 16.700.000,00 taxan Operasi Level 4 35.500.000,00 Operasi Level 5 37.800.000,00 Kemoterapi Herceptin 26.800.000,00 Kemoterapi Kombinasi 41.200.000,00 Tabel 4. Biaya Pengobatan Kanker Serviks di Indonesia Pengobatan kanker dapat dilakukan dengan beberapa cara termasuk kemoterapi, radioterapi, dan juga melalui pengangkatan tumor melalui operasi. Pengobatan-pengobatan yang biasa dilakukan ini juga dikenal secara umum memiliki biaya yang mahal. Berikut sejumlah data biaya pengobatan dari Rumah Sakit Kanker Dharmais sebagai pusat kanker nasional (berdasarkan SK DIREKSI RSKD NOMOR HK.00.06/1/1712/2012 tanggal 27 Februari 2012) Harga alat cryosurgery standar yang menggunakan nitrogen cair (Wallach Cryosurgical LL100 produksi Amerika Serikat) dapat mencapai US$4190,00 (sekitar 54,4 juta) atau bisa saja lebih mahal. Minimnya penyelenggaraan cryosurgery di Indonesia karena anggaran yang tinggi membuat pasien kanker serviks harus kembali ke metode pengobatan biasanya yang juga tergolong sangat mahal sehingga sehingga banyak yang tidak bisa berobat dan akhirnya tidak tertolong. List Part Thermostatic Bed Keterangan Circulating Harga (Rp) Thermo-Cube 10-300-1C-1-ESAF-CP-AR Liquid 6.493.370,13 Recirculating Chiller 6 KEMENTRIAN RISET, TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI NATIONAL ESSAY COMPETITION (NEC) UKM PENALARAN DAN RISET ILMIAH MAHASISWA (PRIMA) UNIVERSITAS MATARAM Sekretariat: Jl. Pemuda blok C, Gedung PKM UNRAM lt.2 No. Hp: 082340371067 Email: [email protected] Web: nec.primaunram.com Peltier (x2) MS2,192,14,20,11,18 Series by 3.054.542,40 Laird Technologies HDPE (injection molded) 0.685 kg 11.984,70 Copper 0.622 kg 42.651,39 Copper Processing (cast, machining, weld) Cryoprobe tip 500.000.00 Frigitronics Cryoprobe 1.935.063,00 TOTAL 12.037.611,62 Tabel 5. Total biaya alat cryosurgery dengan menggunakan peltier Dari desain alat yang diajukan, estimasi kasar dari total harga yang perlu dikeluarkan untuk membuat satu unit alat cryosurgery dengan menggunakan peltier adalah Rp12.037.611,62- dengan rincian sebagai diatas. Sebagian hargaharga yang didapat berasarkan konversi dari mata uang asing (per 24 Oktober 2016). Bisa dilihat bahwa estimasi dari harga alat pada desain yang diajukan hanya sekitar 12 juta Rupiah saja. Tiap rumah sakit bisa menghemat 42,4 juta Rupiah per unitnya. KESIMPULAN End probe alat cryosurgery dapat mencapai suhu terendah sebesar -51,66°C yang dicapai dengan besar arus masuk 5.5A dengan suhu CTB 15°c dan mencapai kondisi stabil pada menit ke 12 dengan suhu -51,38°C. Alat cryosurgery dengan estimasi biaya sekitar 12 juta rupiah untuk satu unitnya pun dapat menghemat 42,4 juta rupiah dari alat cryosurgery menggunakan cairan nitrogen. Dengan adanya alat ini, diharapakan dapat membantu meringankan pengeluaran rumah sakit maupun pasien sehingga dapat mengurangi angka kematian wanita yang disebabkan oleh kanker serviks. 7 KEMENTRIAN RISET, TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI NATIONAL ESSAY COMPETITION (NEC) UKM PENALARAN DAN RISET ILMIAH MAHASISWA (PRIMA) UNIVERSITAS MATARAM Sekretariat: Jl. Pemuda blok C, Gedung PKM UNRAM lt.2 No. Hp: 082340371067 Email: [email protected] Web: nec.primaunram.com DAFTAR PUSTAKA [1] Divisi Onkologi Ginekologi Departemen Obstetri dan Ginekologi Fakultas Kedokteran Universitas Indonesia, Skrining Kanker Serviks dengan IVA dan Model Aplikasi di Lapangan. Jakarta, Indonesia, 2011. [2] (2016, September) Cervix Treatment Cryosurgery: Purpose, Procedure, and Risks. [Online]. http://www.healthline.com/health/cervix-treatment-cryosurgery [3] M.R. Holman & S.J. Rowland, "Design and development of new cryosurgerical instrument utilizing the Peltier thermoelectric effect," Journal of Medical Engineering & Technology , vol. 21, May - Augusts 1997. [4] Nandy Putra, Ardiyansyah, Hedriawan Sumantri, and Ridho Irwansyah, "Development of Cryosurgery Device Based on Multistage Thermoelectric," in International Meeting of Advances in Thermofluids, Singapore, 2010. [5] Nandy Putra, Hamdalah H, Kapa Cossa J, and Ridho Irwansyah, "Pengujian Alat Cryosurgery Berbasis Elemen Peltier Ganda Dengan Penggunaan Variasi Probe," in Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin X, Malang, 2011, pp. 189-194. [6] Nandy Putra, "Design, Manufacturing and Testing of a Portale Vaccine Carrier Box Employing Thermoelectric Module and Heat Pipe," Journal of Medical Engineering and Technology , vol. 33, no. 3, pp. 232-237, 2009. [7] Nandy Putra, Hiban Hardanu, Parlin Adi Sugirto, and Ferdiansyah, "The Development of Portable Blood Carrier by Using Thermoelectrics and Heat Pipes," in 10th Quality in Research FT-UI, Jakarta, 2007. [8] Nandy Putra, Alat Penukar Kalor. Jakarta: Penerbit Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia, 2012. [9] Z.S DEng, Y.X. Zhou, and J. Liu, "A Combined Cryosurgical/Hyperthermia System Using the Peltier Thermoelectric Effect," in International Congress of Refrigeration, 2007. [10] S. Maruyama, E. Nino, and G. Ruocco, "Analysis of A Thermoelectrical Device for Active Heat Transfer Control," International Journal of Thermal Science, vol. 40, pp. 911-916, 2001. [11] Frank P. Incropera and David P. DeWitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 4th ed. United State of America: John Wiley & Sons,Inc, 1996. 8 KEMENTRIAN RISET, TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI NATIONAL ESSAY COMPETITION (NEC) UKM PENALARAN DAN RISET ILMIAH MAHASISWA (PRIMA) UNIVERSITAS MATARAM Sekretariat: Jl. Pemuda blok C, Gedung PKM UNRAM lt.2 No. Hp: 082340371067 Email: [email protected] Web: nec.primaunram.com [12] Nandy Putra, Ardiyansyah, Ferdiansyah Nurudin, William Sukyono, and David Johanson, "The Characterization of Cascade Thermoelectric Cooler in Cryosurgery Device," Cryogenics, vol. 50, pp. 759-764, 2010. [13] Kapa Cossa Jonahtan, "Pengujian Alat Cryosurgery Berbasis Elemen Peltier Ganda," Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok, 2011. [14] (2016, October) plasticker – the home http://plasticker.de/preise/preise_ecebd_en.php [15] (2016, October) Market – Bisnis. [Online]. http://market.bisnis.com/read/20151016/94/482833/harga-tembaga-bisarebound-2016-atau-2017-berikut-penjelasannya [16] (2016, October) Solid State Cooling System: Thermocube 200, 300, 400 WAir Cooled Liquid Circulating Chiller for Lab, Laser, Semiconductor. [Online]. http://sscooling.com/products/thermocube/thermocube-200-300400/item/thermocube-air-cooled-200-300-400-w-liquid-recirculatingchiller-for-lab-laser-semiconductor for plastic.[Online]. [17] Laird Technologies, Spesification Multistage Thermoelectric Modules Series MS2,192,14,20,11,18. [18] Bimo Sakti Wirayudha, "Pengembangan Alat Cryosurgery Prototipe V Berbasis Termoelektrik Bertingkat" Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok, 2011. [19] Hiroki Takeda, Shigenao Maruyama, Junnosuke Okajima, Sestuya Aiba, and Atsuki Komiya, "Development and Estimation of A Novel Cryoprobe Utilizing the Peltier Effect for Precise and Safe Cryosurgery," Cryobiology , vol. 59, pp. 275-284, 2009. [20] Muhammad Fariz Isnaini, "Unjuk Kerja Modul Termoelektrik 2 Tingkat Tipe 2 SC 055 045-127-63 L pada Alat Prototipe Cryosurgery X2," Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok, 2010. [21] X. Huang and G.Franchi, "Design and fabrication of hybrid bi-modal wick structure for heat pipe application," Springer Science and Business, 2007. [22] The Engineering ToolBox. (2012, May) Engineering Toolbox. [Online]. http://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-d_429.html 9 KEMENTRIAN RISET, TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI NATIONAL ESSAY COMPETITION (NEC) UKM PENALARAN DAN RISET ILMIAH MAHASISWA (PRIMA) UNIVERSITAS MATARAM Sekretariat: Jl. Pemuda blok C, Gedung PKM UNRAM lt.2 No. Hp: 082340371067 Email: [email protected] Web: nec.primaunram.com [23] S.B. Riffat and Xiaoli Ma, "Thermoelectric: a review of present and potential applications," Journal of Applied Thermal Engineering, vol. 23, pp. 913935, 2003. [24] Electronics Cooling. (2012, June) Electronics Cooling. [Online]. http://www.electronics-cooling.com/2006/11/the-seebeck-coefficient/ [25] Wikimedia Foundation, Inc. (2012, May) Wikipedia. [Online]. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/f/f0/Waterblock_exploded_all_d etails2.jpg [26] Rowe DM, CRC handbook of thermoelectric. Boca Raton, FL: CRC Press, 1995. [27] G. Karimi, J.R. Culham, and V. Kazerouni, "Performance analysis of multi-stage thermoelectric coolers," International Journal of Refrigeration, pp. 1-7, 2011. [28] Operasi – Rumah Sakit Dharmais. http://www.dharmais.co.id/index.php/operation.html [Online]. 10
