rancang bangun sumber arus listrik multifrekuensi pada tomografi
advertisement
ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA RANCANG BANGUN SUMBER ARUS LISTRIK MULTIFREKUENSI PADA TOMOGRAFI IMPEDANSI ELETRIK UNTUK MENDETEKSI ANOMALI ORGAN TUBUH SKRIPSI NOVI ANGGA SAKTI PROGRAM STUDI S-1 TEKNOBIOMEDIK DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS AIRLANGGA 2016 SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI Skripsi ini tidak dipublikasikan, namun tersedia di perpustakaan dalam lingkungan Universitas Airlangga, diperkenankan untuk dipakai sebagai referensi kepustakaan, tetapi pengutipan harus seizin penulis dan harus menyebutkan sumbernya sesuai kebiasaan ilmiah. Dokumen skripsi ini merupakan hak milik Universitas Airlangga. iv SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat, hidayah serta kekuatan sehingga penulis dapat menyelesaikan naskah skripsi ini dengan judul “Rancang Bangun Sumber Arus Listrik Multifrekuensi pada Tomografi Impedansi Elektrik Untuk Mendeteksi Anomali Organ Tubuh” Terwujudnya naskah skripsi ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak yang telah mendorong dan membimbing penulis, baik tenaga, ide-ide, maupun pemikiran. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Kedua orang tua, yang selalu memberikan doa, dukungan, motivasi hingga terselesaikannya naskah skripsi ini. 2. Bapak Dr. Moh. Yasin, M.Si selaku Ketua Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga. 3. Bapak Dr. Khusnul Ain, M.Si selaku Ketua Program Studi S-1 Teknobiomedik yang telah menyetujui dan menerima naskah skripsi penulis. 4. Bapak Imam Sapuan, S.Si, M.Si. dan Dr. Khusnul Ain, M.Si selaku dosen pembimbing I dan II yang telah menyediakan waktu selama proses pengajuan judul sampai dengan selesainya pembuatan naskah skripsi ini. 5. Bapak Franky Chandra Satria Arisgraha, S.T., M.T selaku dosen penguji I atas saran dan perbaikannya dalam penulisan naskah skripsi ini. 6. Bapak Fadli Ama, S.T., M.T selaku dosen penguji II atas saran, bimbingan, dan arahan dalam penulisan naskah skripsi ini. vi SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA 7. Seluruh dosen dan staf karyawan Departemen fisika, khususnya program studi S1 Teknobiomedik, Universitas Airlangga serta semua pihak yang telah senantiasa memberikan ilmunya dan membantu penulis selama proses penyusunan naskah skripsi ini. 8. Teman seperjuangan Teknobiomedik 2011 yang selalu memberikan doa, semangat, masukan, dan bersama dalam suka dan duka. 9. Serta berbagai pihak yang telah membantu proses terselesaikannya skripsi ini yang tidak dapat disebutkan satu per satu. Tentunya masih banyak kekurangan dalam penulisan skripsi ini, oleh karenanya penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dalam memperbaiki skripsi ini sehingga menjadi lebih baik lagi. Diharapkan skripsi ini dapat bermanfaat dalam dunia kesehatan, khususnya pada bidang teknik biomedis sendiri di Indonesia. Surabaya, 15 Februari 2016 Penulis, Novi Angga Sakti vii SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA Sakti, Novi Angga. 2016. Rancang Bangun Sumber Arus Listrik Multifrekuensi pada Tomografi Impedansi Elektrik Untuk Mendeteksi Anomali Organ Tubuh. Skripsi ini dibawah bimbingan Imam Sapuan, S.Si., M.Si., dan Dr.Khusnul Ain, M.Si., Program Studi S-1 Teknobiomedik, Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga. ABSTRAK Tomografi Impedansi Elektrik mencitrakan penampang melintang suatu objek dengan cara memetakan distribusi impedansi yang ada di dalam objek. Suatu penyakit akan menyebabkan anomali pada jaringan tubuh sehingga menyebabkan nilai impedansinya berubah dari jaringan yang normal, seperti misalnya pada kanker. Tomografi Impedansi Elektrik menggunakan perbedaan impedansi ini untuk membetuk citra. Tomografi Impedansi Elektrik yang digunakan dalam klinis menggunakan sumber arus konstan yang bisa bertahan pada impedansi sampai 10kΩ dan bisa menghasilkan beberapa frekuensi yang berbeda tergantung pada organ tubuh yang akan diperiksa. Untuk menghasilkan citra digunakan beda tegangan dari objek yang sama dengan 2 frekuensi yang berbeda. Dalam penelitian ini dibuat Sumber Arus Konstan Multifrekuensi dibuat dengan metode sistem kontrol closed loop dengan menggunakan Arduino Due sebagai pembangkit gelombang sinus dan Arduino Uno sebagai pengumpan balik untuk mempertahankan arus agar tetap konstan. Dari hasil penelitian ini didapatkan Sumber Arus Konstan Multifrekuensi dengan arus keluaran 1mA yang mampu bertahan sampai pada hambatan 6,5kΩ, dengan frekuensi rentang 500Hz samapai 10.000Hz. Hasil citra terbaik dengan fantom daging sapi dengan lemak disisipkan pada daging pada beda tegangan yang dihasilkan dari frekuensi 500kHz dan frekuensi10.000kHz. Kata Kunci: Tomografi, Arus Konstan, Umpan Balik, Impedansi. viii SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA Sakti, Novi Angga 2016, Design Multifrequency Constant Current Source Multifrekuensi in Electrical Impedance Tomography to Detect Organ Anomaly. This thesis was under guidances of Imam Sapuan, S.Si., and Dr. Khusnul Ain, M.Si., Biomedical Engineering, Departement of Physic, Faculty of Science and Technology, Airlangga University. ABSTRACT Electrical Impedance Tomography provides image of cross-section of an object by mapping the distribution of impedance in the object. Desease crates anomaly to the tissue that result impedance alter from normal tissue, such as cancer. This deference is used to create an image by Electrical Impedance Tomography. Electrical Impedance Tomography as a clinical application use a constant current source with a maximum load impedance of 10kΩ and can apply several different frequencies depending on the organ examined. In this study, Multifrequency Constant Current Source use closed loop control system which is constructed from Arduino Due as a wave generator and Arduino Uno to give feed back to maintain the current at constant value. Result of this study shows that Constant Current Source Multifrequency produces output current 1mA with a maximum load impedance of 6,5kΩ, operate at frequency range from 500Hz to 10.000Hz. Best image result from beef phantom with fat inserted in it is generated by voltage difference at frequency 500Hz and frequency 10.000kHz. Keywords: Tomography, Constant Current, Feedback, Impedance. . ix SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA DAFTAR ISI LEMBAR JUDUL ........................................................................................... . i LEMBAR PERNYATAAN ............................................................................. ii LEMBAR PENGESAHAN ............................................................................ iii PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI ........................................................ iv SURAT PERNYATAAN TENTANG ORISINALITAS ................................ v KATA PENGANTAR ..................................................................................... vi ABSTRAK ...................................................................................................... viii ABSTRACT ...................................................................................................... ix DAFTAR ISI ................................................................................................... x DAFTAR TABEL ............................................................................................ xiv DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xv DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................... xvii BAB I PENDAHULUAN ................................................................................ 1 1.1 Latar Belakang Masalah ............................................................................. 1 1.2 Rumusan Masalah ...................................................................................... 4 1.3 Batasan Masalah......................................................................................... 4 1.4 Tujuan Penelitian ....................................................................................... 5 1.5 Manfaat Penelitian ..................................................................................... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA...................................................................... 6 2.1 Sel............................................................................................................... 6 2.2 Jaringan Tubuh ........................................................................................... 7 2.2.1 Otot Lurik ......................................................................................... 7 2.2.2 Jaringan Lemak ................................................................................ 8 2.3 Hambatan Jaringan Tubuh ......................................................................... 10 2.4 Reaktansi Kapasitif Jaringan Tubuh .......................................................... 12 2.5 Impedansi Jaringan Tubuh ......................................................................... 13 2.6 Beda Potensial Jaringan Tubuh .................................................................. 14 x SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA 2.7 Tomografi Impedansi Elektrik ................................................................... 18 2.8 Peubah DC ke AC ...................................................................................... 23 2.9 Rangkaian Pembagi Tegangan ................................................................... 27 2.10 Penyearah Setengah Gelombang .............................................................. 27 2.11 Penguat Operasional ................................................................................ 28 2.12 Arduino Uno ............................................................................................ 29 2.13 Arduino Due ............................................................................................. 30 BAB III METODE PENELITIAN................................................................... 32 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian .................................................................... 32 3.2 Alat dan Bahan Penelitian .......................................................................... 32 3.2.1 Alat Penelitian .................................................................................. 32 3.2.2 Bahan Penelitian .............................................................................. 32 3.3 Prosedur Penelitian..................................................................................... 32 3.3.1 Tahap Perancangan .......................................................................... 33 3.3.1.1 Perancangan Perangkat Keras ............................................. 35 3.3.1.1.1 Perancangan Rangkaian Keypad ......................... 35 3.3.1.1.2 Rancangan Sumber Arus Konstan ....................... 36 3.3.1.1.2.1 Rangkaian Peubah DC ke AC .......................... 39 3.3.1.1.2.2 Rangkaian Penguat Pertama ............................. 40 3.3.1.1.2.3 Rangkaian Pembagi Tegangan ........................ 41 3.3.1.1.2.4 Rangkaian Penguat kedua ................................. 41 3.3.1.1.2.5 Penyearah Setengan Gelombang ...................... 42 3.3.1.2 Perancangan Perangkat Lunak ............................................ 43 3.3.1.2.1 Perancangan keypad ............................................ 43 3.3.1.2.2 Perancangan perangkat lunak sistem kontrol ..... 48 3.3.1.2.2.1 Perancangan Perangkat lunak Arduino Due ..... 49 3.3.1.2.2.2 Perancangan Perangkat Lunak Arduino Uno ... 50 3.3.2 Pengujian Alat .................................................................................. 51 3.3.2.1 Pengujian Waktu Setting DAC ............................................ 51 3.3.2.2 Pengujian Linearitas DAC ................................................... 52 xi SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA 3.3.2.3 Pengujian Linearitas Frekuensi Gelombang Sinus DAC .... 52 3.3.2.4 Pengujian Sumber Arus Konstan ......................................... 52 3.3.2.4.1 Pengujian Peubah DC ke AC ........................................... 52 3.3.2.4.2 Pengujian Penguat Pertama .............................................. 52 3.3.2.4.3 Pengujian Pembagi Tegangan .......................................... 53 3.3.2.4.4 Pengujian Keluaran Arus Konstan ................................... 53 3.3.2.4.5 Pengujian Pada Fantom .................................................... 53 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ......................................................... 55 4.1 Hasil Perancangan Alat .............................................................................. 55 4.1.1 Hasil Perancangan Perangkat Keras ................................................ 55 4.1.1.1 Hasil Perancangan Rangkaian Keypad ................................ 55 4.1.1.2 Hasil Perancangan Sumber Arus Konstan ........................... 56 4.1.2 Hasil Perancangan Perangkat Lunak................................................ 57 4.1.2.1 Hasil Perancangan Keypad .................................................. 57 4.1.2.2 Hasil Perancangan Pembangkit Gelombang Sinus .............. 59 4.1.2.3 Hasil Perancangan Pengatur Interupt Faktor Pengali .......... 61 4.1.3 Pengujian Alat .................................................................................. 64 4.1.3.1 Pengujian Kecepatan DAC .................................................. 64 4.1.3.2 Pengujian Linearitas output DAC ....................................... 66 4.1.3.3 Pengujian frekuensi output .................................................. 68 4.1.3.4 Hasil pengujian sumber arus konstan .................................. 72 4.1.3.4.1 Hasil pengujian peubah DC ke AC................................... 72 4.1.3.4.2 Hasil pengujian penguat pertama ..................................... 74 4.1.3.4.3 Hasil pengujian pembagi tegangan ................................... 76 4.1.3.4.4 Hasil pengujian sumber arus konstan ............................... 78 4.1.3.4.5 Hasil pengujian pada phantom ......................................... 80 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................... 88 5.1 Kesimpulan ............................................................................................... 88 5.2 Saran ........................................................................................................... 88 xii SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 90 DAFTAR TABEL Nomor Judul Tabel Halaman 2.1 Nilai konduktivitas jaringan tubuh.......................................................... 11 4.1 Tabel pengujian DAC ............................................................................. 67 4.2 Tabel pengujian frekuensi 1-1000 Hz ..................................................... 68 4.3 Tabel pengujian frekuensi 1.001-2.000Hz .............................................. 69 4.4 Tabel pengujian frekuensi 2.001-5.000Hz .............................................. 70 4.5 Tabel pengujian frekuensi 5.001-10.000Hz ............................................ 71 4.6 Tabel pengujian Peubah DC ke AC ........................................................ 72 4.7 abel pengujian Penguat Pertama pada frekuensi 1Hz ............................. 74 4.8 Tabel pengujian Penguat Pertama pada frekuensi 10.000Hz.................. 75 4.9 Tabel pengujian Pembagi Tegangan ....................................................... 77 4.10 Tabel pengujian Sumber Arus Konstan .................................................. 79 xiii SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Gambar Halaman 2.1 Struktur Membran Sel ............................................................................. 6 2.2 Struktur Sel Otot Lurik ........................................................................... 8 2.3 Sel Adiposa ............................................................................................. 10 2.4 Model impedansi rangkaian listrik tubuh ............................................... 13 2.5 Beda potensial pada resistor seri ............................................................. 14 2.6 Penampang batang konduktor ................................................................. 15 2.7 Dua batang konduktor yang disambungkan secara seri .......................... 16 2.8 Beda potensial pada objek bulat ............................................................. 17 2.9 Beda potensial dengan sumber arus adjecent ......................................... 17 2.10 Diagram Blok Tomografi Impedansi Listrik .......................................... 18 2.11 Empat penampang yang dibatasi oleh lingkaran Ampere yang ada pada kapasitor, pada penampang ketiga tidak ada arus yang mengalir ........... 23 2.12 Sinyal DC sinus yang melayang-layang pada tegangan 14V berubah menjadi sinyal AC setelah melalui kapasitor ......................................... 25 2.13 (a) Gelombang dengan persamaan gelombang dengan persamaan dan (b) ............................. 25 2.14 Rangkaian penyearah setengah gelombang ............................................ 28 2.15 Rangkaian penguat inverting .................................................................. 29 2.16 Arduino Uno ........................................................................................... 30 2.17 Arduino Due............................................................................................ 30 3.1 Diagram alir prosedur penelitian ............................................................ 33 xiv SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA 3.2 Diagram blok sumber arus konstan multifrekuensi ................................ 34 3.3 Diagram pemasangan push button .......................................................... 36 3.4 Diagram rangkaian push button .............................................................. 36 3.5 Diagram rangkaian pembagi tegangan dengan Rv dan R........................ 37 3.6 Diagram blok sistem kontrol Sumber Arus Konstan .............................. 39 3.7 Diagram rangkaian peubah DC ke AC ................................................... 39 3.8 Diagram rangkaian penguatan pertama .................................................. 40 3.9 Diagram rangkaian pembagi tegangan .................................................... 41 3.10 Diagram rangkaian penguat kedua......................................................... 42 3.11 Diagram rangkaian peubah DC ke AC ................................................... 43 3.12 Diagram alir Program Keypad ................................................................ 44 3.13 Diagram alir pembangkit sinyal sinus..................................................... 48 3.14 Diagram interup faktor pengali pada Arduino Due ................................ 49 3.15 Diagram pengendali faktor pengali pada Arduino Uno .......................... 50 4.1 Hasil rangkaian keypad ........................................................................... 56 4.2 Rangkaian sumber arus konstan.............................................................. 56 4.3 Program untuk menjadikan pin-pin sebagai input .................................. 58 4.4 Program untuk menampilkan nilai input pada LCD ............................... 59 4.5 Program untuk pembangkit sinyal sinus multifrekuensi ......................... 61 4.6 Diagram alir pengendali interupt ............................................................ 62 4.7 Hasil gelombang sinus yang dibangkitkan dengan fungsi tanpa delay... 64 4.8 Hasil gelombang sinus tanpa dengan menggunak data tanpa delay ....... 65 4.9 Program untuk menguji linearitas DAC ................................................. 66 4.10 Grafik Linearitas DAC ............................................................................ 67 xv SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA 4.11 Grafik linearitas frekuensi 1-1000 Hz..................................................... 69 4.12 Grafik linearitas frekuensi 1001-2000 Hz............................................... 70 4.13 Grafik linearitas frekuensi 2001-5000 Hz............................................... 71 4.14 Grafik linearitas frekuensi 5000-10000 Hz............................................. 72 4.15 Sinyal sinus masukan dan sinyal sinus keluaran..................................... 73 4.16 Bentuk sinyal ketika dinyalakan, kuning adalah sinyal masukan dan biru adalah sinyal keluaran ............................................................................. 74 4.17 Grafik tegangan masukan dan keluaran pada tegangan pertama pada frekuensi 1 Hz ......................................................................................... 75 4.18 Grafik tegangan masukan dan keluaran penguat pertama pada frekuensi 10000 Hz ................................................................................................. 76 4.19 Grafik respon tegangan terhadap perubahan nilai resistor variable ........ 77 4.20 Hasil pengujian ketahanan sumber arus konstan terhadap kenaikan hambatan ................................................................................................. 79 4.21 Pengujian terhadap fantom berisi air ...................................................... 80 4.22 grafik hasil pengukuran beda potensial dengan fantom air pada frekuensi 1000 Hz ................................................................................................... 81 4.23 grafik hasil pengukuran beda potensial dengan fantom air pada frekuensi 5000 Hz ................................................................................................... 81 4.24 Grafik hasil pengukuran beda potensial dengan fantom air pada frekuensi 10000 Hz ................................................................................................. 81 4.25 grafik hasil pengukuran beda potensial dengan fantom air dan wortel pada frekuensi 1000 Hz .......................................................................... 82 4.26 grafik hasil pengukuran beda potensial dengan fantom air dan wortel pada frekuensi 5000 Hz .......................................................................... 82 xvi SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA 4.27 grafik hasil pengukuran beda potensial dengan fantom air dan wortel pada frekuensi 10000 Hz ........................................................................ 82 4.28 Hasil rekonstruksi citra air dan wortel pada frekuensi yang sama.......... 84 4.29 Grafik hasil pengukuran beda potensial dengan fantom daging dan lemak pada frekuensi 1000 Hz .......................................................................... 85 4.30 Grafik hasil pengukuran beda potensial dengan fantom daging dan lemak pada frekuensi 5000 Hz .......................................................................... 85 4.31 Grafik hasil pengukuran beda potensial dengan fantom daging dan lemak pada frekuensi 10000 Hz ........................................................................ 85 4.32 Hasil rekonstruksi citra daging dan lemak pada frekuensi yang berbeda 86 xvii SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA DAFTAR LAMPIRAN Nomor Judul Lampiran Halaman 1 Hasil Matlab ............................................................................................ 92 2 Konduktivitas Lemak Terhadap Frekuensi (Gabriel, 1996) ................... 93 3 Konduktivitas Daging Terhadap Frekuensi (Gabriel, 1996)................... 94 4 Konduktivitas Wortel Terhadap Frekuensi (Zhao, 2012) ....................... 95 5 Diagram Rangkaian Sumber Arus Konstan ............................................ 96 xviii SKRIPSI TOMOGRAFI IMPEDANSI ELEKTRIK... NOVI ANGGA SAKTI
