Kesehatan masyarakat merupakan modal yang sangat penting bagi pembangunan nasional. Untuk menjamin kualitas pelayanan kesehatan kepada rakyatnya, pemerintah telah membelanjakan dana yang tidak sedikit untuk mengadakan peralatan medis baik untuk keperluan diagnostik maupun untuk terapi. Mesin roentgen merupakan salah satu contoh peralatan medis yang banyak tersedia di rumah sakit maupun klinik kesehatan di berbagai tempat di seluruh pelosok Indonesia. Mesin ini digunakan untuk mengambil citra bagian dalam tubuh pasien sehingga dapat mendukung diagnosis yang ditegakkan oleh dokter. Pengambilan citra bagian dalam tubuh ini disebut radiografi karena menggunakan radiasi. Prinsip kerja alat ini adalah dengan memanfaatkan sifat sinar-X yang dapat menembus materi. Tingkat penetrasi sinar ini dalam tubuh manusia bergantung pada organ atau jaringan yang dilewatinya dan energi sinar-X itu sendiri.
Prosedur radiografi dilakukan dengan menempatkan sumber radiasi, dalam hal ini sumber sinar-X atau sinar gamma, pada salah satu sisi dan detektor radiasi berupa film radiografi pada sisi lainnya. Citra pada film radiografi
terbentuk akibat adanya perbedaan intensitas radiasi yang mengenai detektor setelah menembus materi. Perbedaan intensitas tersebut menimbulkan perbedaan derajat keabuan atau densitas fotografi yang terlihat sebagai perbedaan kecemerlangan (brightness).
Kualitas dari citra tersebut bergantung kepada tiga faktor, yaitu kontras, ketajaman (sharpness) dan graininess. Kontras didefinisikan sebagai perbedaan densitas antara alur gambar dan latar belakang (background). Tingkat densitas ini diukur dengan menggunakan alat yang disebut densitometer. Densitometer merupakan alat yang penting bagi operator radiografi karena dapat membantu menghasilkan citra yang berkualitas sehingga mempermudah dokter dalam menginterpretasikan citra tersebut dengan baik. Alat ini juga penting untuk membantu operator dalam mencari metode paling efektif dan aman dalam proses pemaparan radiasi untuk menghasilkan citra yang baik. Pada gilirannya, pasien yang akan sangat diuntungkan karena tidak mendapat pemaparan radiasi yang berlebihan.
Pada saat ini, akibat harganya yang terlalu mahal dan secara ekonomis dianggap tidak sesuai dengan fungsi yang akan diperoleh, banyak rumah sakit yang tidak memprioritaskan pengadaan alat
DENSITOMETER FILM RADIOGRAFI PORTABEL
BERBASIS MIKROKONTROLER
Balza Achmad
1), Viktorinus Hardianto
2)dan Agus Arif
1)1)
Lab. Instrumentasi, Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada
2)
Alumni Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada
ABSTRAK
Densitometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur tingkat kehitaman suatu titik pada sebuah film radiografi. Densitometer sangat diperlukan untuk menghasilkan citra radiografi yang berkualitas baik. Penelitian ini bertujuan untuk membuat purwarupa densitometer berbasis mikrokontroler sehingga bersifat portabel dan relatif murah serta mempelajari karakteristiknya. Perancangan dan pembuatan prototype densitometer ini menggunakan densitometer digital Victoreen model 07-424 sebagai pembanding. Hubungan yang diperoleh antara tegangan keluaran fototransistor (x) dan densitas optis (y), yaitu y = 0,0118 x4 – 0,1478 x3 + 0,6395 x2 – 122037 x + 1,2423; dengan koefisien korelasi R2 = 0,9951. Persamaan tersebut kemudian digunakan dalam perangkat lunak mikrokontroler untuk menghasilkan keluaran berupa densitas optis. Hasil perbandingan keluaran purwarupa dengan densitometer digital Victoreen model 07-424 menunjukkan perbedaan nilai densitas optis berkisar antara 0,011 sampai 0,045 dengan ralat relatif 3,4% sampai 22,9%. Rentang dapat ukur purwarupa yang dirancang adalah pada step 7 sampai dengan 16 yang bertepatan dengan densitas optis 0,124 sampai dengan 1,242.
ini. Sebagai akibatnya, operator radiografi di rumah sakit terpaksa harus menggunakan penilaian secara kualitatif yang subyektif dan tidak standar. Hal ini tentu saja sangat merugikan pasien.
Masalah yang kedua, selain dari segi biaya, densitometer yang digunakan di rumah sakit kebanyakan berukuran cukup besar sehingga tidak mudah untuk dipindah-pindah. Densitometer X-Rite 301 misalnya, seperti lihat pada Gambar 1, memiliki ukuran panjang 38 cm, lebar 26 cm, dan tinggi 13 cm; serta berat hampir 5 kg dan catu daya 110 VAC. Dengan ukuran dan catu daya tersebut, alat ini tidak dapat digunakan secara portabel.
Gambar 1. Densitometer X-Rite 301 (www.tendt.com)
Oleh karena itu, dalam penelitian ini dirancang sebuah densitometer portabel yang memanfaatkan teknologi mikrokontroler yang mudah diperoleh di pasaran sehingga biaya pembuatannya lebih murah.
Densitas fotografis (photographic density)
Film radiografi biasanya tersusun atas tujuh lapisan (Gambar 2). Lapisan dasarnya berupa cellulose triacetate atau polyester (d). Pada kedua sisi lapisan dasar ini terdapat lapisan gelatin yang dikeraskan untuk melindungi emulsi (a), lapisan emulsi yang terbuat dari campuran kristal perak halida dan gelatin (b), serta lapisan sangat tipis yang disebut substratum (c), yang menyebabkan lapisan emulsi melekat pada lapisan dasar.
Lapisan emulsi bersifat sensitif terhadap radiasi sinar-X. Pada saat radiasi mengenai film radiografi, partkel perak halida akan berubah menjadi perak metalik. Banyaknya pembentukan partikel perak metalik berbanding lurus terhadap intensitas radiasi yang mengenainya.
Sedangkan intensitas radiasi yang
Gambar 2. Tampang lintang film radiografi (Halmshaw, 1986)
mengenai film sendiri bergantung pada materi yang berada di antara film tersebut dan sumber radiasi, dalam hal ini adalah tubuh pasien yang diperiksa. Akibatnya, gambaran organ dalam tubuh pasien akan terproyeksi pada citra yang terdapat dalam film radiografi yang digunakan. Setelah proses pencucian film tersebut menggunakan zat kimia khusus, maka pada film tersebut akan terbentuk citra tembus cahaya.
Ketika film tersebut ditempatkan di depan suatu layar terang untuk pemeriksaan, akan terbentuk citra dari area yang memiliki tingkat kecemerlangan (brightness) yang berbeda bergantung dari kepadatan lokal lapisan emulsi yang berubah. Kepadatan fotografis (dinotasikan dengan D) didefinisikan sebagai
÷÷ ø ö çç è æ = 0 log I I D f (1)
dengan If adalah intensitas cahaya yang menembus film dan I0 adalah intensitas cahaya yang digunakan sebagai sumber. Hubungan antara kepadatan fotografis pada film dan paparan radiasi yang menyebabkannya ditunjukkan oleh suatu grafik yang disebut kurva karakteristik (Gambar 3).
Gambar 3. Kurva karakteristik film radiografi (Yaffe, 2000)
METODE
Tatacara penelitian
Langkah yang dilakukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut.
1. Studi pustaka mengenai radiografi dan aplikasi mikrokontroler
2. Perancangan perangkat keras
3. Perancangan perangkat lunak untuk mikrokontroler
4. Pemaparan film radiografi menggunakan
phantom standar berbentuk step, sehingga diperoleh film standar untuk kalibrasi alat yang dirancang.
5. Pengukuran densitas film menggunakan alat yang dirancang
6. Analisis data
Diagram skematik alat yang akan dibuat terlihat dalam Gambar 4. Sistem terdiri atas LED, phototransistor, ADC, mikrokontroler, tombol, dan LCD.
Gambar 4. Diagram skematik alat yang diteliti
1. LED digunakan untuk menghasilkan intensitas cahaya yang dibutuhkan untuk mengukur densitas optis dari film radiografi. 2. Fototransistor digunakan untuk mengukur
intensitas cahaya setelah menembus film radiografi.
3. Keluaran dari fototransistor yang berupa tegangan analog diubah oleh ADC (Analog to Digital Converter) menjadi besaran digital. 4. Setelah diubah menjadi besaran digital, maka
data tersebut diolah oleh mikrokontroler. Mikrokontroler juga digunakan sebagai pusat pengendalian alat.
5. Sebagai display digunakan LCD M1632 buatan Seiko Instruments Inc.
6. Tombol input digunakan sebagai interface
bagi operator untuk menjalankan dan mengendalikan alat.
Alat
Solder, solder attractor, multimeter,
downloader mikrokontroler, komputer, densitometer digital Victoreen model 07-424
Bahan
IC AT89C51, ADC 0804, resistor, kapasitor, transistor FCS 9015, tombol switch, kristal osilator, fototransistor, LED super, peraga kristal cair M1632 (LCD), stabilizer tegangan (7805), pendingin stabilizer, soket, PCB, timah, LED, konektor, jumper, IDC, kabel, kabel pelangi (data), baterai, konektor baterai, kotak fiber case,
green film
Film standar yang dihasilkan dari pemaparan radiasi terhadap phantom step terlihat pada Gambar 5. Pada film tersebut terlihat citra keabuan yang bergradasi secara bertingkat mulai dari yang paling terang pada step 1 sampai dengan paling gelap pada step 21.
1 2 3 ... 21 Step
Gambar 5. Film standar
Terdapat dua jenis film yang digunakan dalam radiografi, yaitu blue-sensitive film dan
green-sensitive film. Tetapi dalam prakteknya,
green-sensitive film yang paling umum digunakan. Oleh karena itu, akan dibatasi penelitian dengan hanya menggunakan green-sensitive film.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada
bagian ini diuraikan hasil pengukuran yang telah dilakukan untuk menguji kinerja purwarupa hasil perancangan AT89C 51 ADC 0804 LCD Fototransistor Tombol input Film radiografi LEDdengan cara mengkalibrasinya dengan densitometer digital Victoreen model 07-424 yang terdapat di Jurusan Radiodiagnostik dan Radioterapi Politeknik Kesehatan Semarang.
a. Pengukuran menggunakan densitometer digital Victoreen model 07-424
Pengukuran menggunakan densitometer dilakukan terhadap tiga sampel green-sensitive
film standar yang sebelumnya telah dipapar dengan radiasi. Pengukuran dilakukan untuk setiap step. Gambar 6 menunjukkan hasil pengukuran rata-rata dari ketiga sampel tersebut. Terlihat bahwa kurva yang diperoleh memiliki kemiripan bentuk dengan kurva karakteristik pada Gambar 3. Pada rentang step 1 sampai dengan 8 tidak terlalu berbeda nilai densitas optisnya, namun tidak demikian halnya pada rentang step yang lain. Dengan demikian terlihat bahwa film radiografi yang digunakan lebih sensitif pada rentang step 9 sampai dengan 21.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 0 5 10 15 20 Step D ens it as O pt is
Gambar 6. Grafik karakteristik rerata densitas optis green sensitivefilm
b. Pengukuran menggunakan purwarupa densitometer hasil perancangan
Pengukuran menggunakan purwarupa densitometer hasil perancangan terhadap sampel yang sama seperti sebelumnya, yaitu tiga sampel
green-sensitive film standar. Besaran yang diukur adalah tegangan keluaran fototransistor sebelum diolah menggunakan ADC. Gambar 7 menunjukkan hubungan antara tegangan keluaran dengan step pada film radiografi. Secara umum grafik ini berkebalikan dengan kurva karakteristik pada Gambar 6. Karena pada step rendah tingkat keabuan pada citra dalam film radiografi lebih
terang dibandingkan pada step yang lebih tinggi, maka intensitas cahaya yang menembus film tersebut juga lebih besar. Fototransistor meresponnya dengan mengalirkan arus yang lebih besar sehingga tegangan keluaran yang diperoleh juga lebih besar.
0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 Step T ega nga n k el ua ran (V )
Gambar 7. Grafik tegangan keluaran purwarupa yang dirancang
Gambar 7 juga menunjukkan bahwa tegangan keluaran tidak berubah pada rentang step 1 sampai dengan 7 pada posisi jenuhnya. Dengan kata lain, nilai keluaran pada rentang step tersebut tidak dapat dibedakan satu sama lain. Demikian pula pada rentang step 16 sampai dengan 21 pada tegangan keluaran 0 volt. Oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa, purwarupa densitometer yang dirancang hanya dapat bekerja pada rentang step 7 sampai dengan 16. Hal ini juga menjadi kelemahan alat ini karena tidak dapat bekerja dengan rentang penuh seperti densitometer digital yang digunakan untuk mengkalibrasinya.
c.
Kalibrasi keluaran purwarupa dengandensitometer digital Victoreen
Setelah diperoleh tegangan keluaran purwarupa, perlu dicari hubungan antara tegangan keluaran tersebut dengan nilai densitas optis yang terukur. Hubungan keduanya dapat diperoleh dengan menggabungkan data pengukuran pada Gambar 6 dan Gambar 7. Hasilnya terlihat pada Gambar 8. Sekali lagi terlihat tegangan keluaran 0 volt memberikan nilai yang tidak tunggal pada step 16 sampai dengan 21.
8 1-7 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 0 0,5 1 1,5 2 0 1 2 3 4 5 Tegangan keluaran (V) D ens it as O pt is
Gambar 8. Grafik hubungan tegangan keluaran alat dengan nilai densitas optis
Untuk mendapatkan nilai pada tegangan keluaran di antara data-data yang diperoleh, dilakukan curve fitting terhadap data pada rentang dapat ukur (applicable) pada step 7 sampai dengan step 16. Setelah dilakukan curve fitting
menggunakan fungsi yang berbeda, hasil terbaik diperoleh untuk fungsi polinomial orde 4 sebagaimana terlihat pada Gambar 9. Salah satu pertimbangan yang digunakan untuk menentukan fungsi untuk curve fitting adalah fungsi tersebut harus bersifat monotonically decreasing atau menurun secara monoton sehingga tidak akan diperoleh nilai densitas obyek yang sama untuk tegangan keluaran yang berbeda. Dengan demikian hubungan antara tegangan keluaran (x) dengan densitas optis (y) dapat dituliskan sebagai:
2423
,
1
2037
,
1
6395
,
0
1478
,
0
0118
,
0
4-
3+
2-
+
=
x
x
x
x
y
(2)
dengan koefisien korelasi R
2= 0,9951.
d. Perbandingan pengukuran purwarupa dan densitometer Victoreen
Relasi pada Persamaan (2) kemudian digunakan untuk memprogram mikrokontroler, sehingga hasil pengukuran yang ditampilkan di LCD langsung berupa nilai densitas optis. Apabila hasil ini dibandingkan dengan hasil pengukuran menggunakan densitometer digital Victoreen model 07-424, maka diperoleh perbedaan dan ralat sebagaimana tercantum dalam Tabel 1.
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 y = 0,0118x4 - 0,1478x3 + 0,6395x2 - 1,2037x + 1,2423 R2 = 0,9951 0 0,5 1 1,5 0 1 2 3 4 5 Tegangan keluaran (V) D ens it as O pt is
Gambar 9. Grafik curve fitting polinomial orde 4 untuk rentang step 7 sampai dengan 16
Tabel 1. Perbandingan antara pengukuran densitas optis menggunakan densitometer digital Victoreen model 07-424 dengan purwarupa yang dirancang
Step
Tegangan keluaran
(volt)
Densitas Optis
Victoreen Purwarupa Selisih Ralat relatif
7 4,7 0,096 0,124 0,028 22,9% 8 4,592 0,109 0,135 0,026 19,3% 9 4,508 0,134 0,145 0,011 7,6% 10 4,375 0,178 0,163 -0,015 9,3% 11 3,65 0,259 0,276 0,017 6,1% 12 2,183 0,376 0,393 0,017 4,2% 13 1,108 0,555 0,510 -0,045 8,7% 14 0,467 0,775 0,805 0,030 3,7% 15 0,167 1,017 1,058 0,041 3,9% 16 0 1,284 1,242 -0,042 3,4%
Di sini terlihat bahwa ralat relatif yang besar terdapat pada rentang step yang rendah. Hal ini terjadi karena faktor pembagi untuk menghitung ralat relatif tersebut juga kecil pada step yang rendah tersebut. Sementara selisih pengukuran secara absolut bernilai hampir sama untuk semua rentang step, yaitu berkisar dari 0,011 sampai dengan 0,045.
e
. Pengaruh nilai resistor yang digunakanpada fototransistor
Pada
percobaan sebelumnya digunakan resistor bernilai 100 Ω pada fototransistor. Apabila resistor ini diganti, maka akan terjadi pergeseran rentang dapat ukur dari purwarupa yang dirancang. Hal ini terjadi karena perubahan nilai resistansi tersebut akan mengakibatkanperubahan beda tegangan yang terjadi pada rangkaian fototransistor yang pada akhirnya mengubah tegangan keluaran dari rangkaian fototransistor sebelum masuk ke rangkaian ADC.
Gambar 10 menunjukkan tegangan keluaran fototransistor pada pengukuran dengan resistor 100 Ω dan 1,1 kΩ. Terlihat rentang dapat ukur bergeser ke rentang step yang lebih rendah (dari rentang step 7-16 menjadi rantang step 5-14). Pemilihan rentang dapat ukur bergantung pada citra yang akan diperiksa. Hal ini menjadi keuntungan dari desain alat ini. Namun, apabila rentang dapat ukur berubah, maka harus dilakukan curve fitting lagi serta pemrograman ulang mikrokontroler yang digunakan.
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 0 5 10 15 20 Step D e ns it as O pt is 100 ohm 1,1 k ohm
Gambar 10. Pengaruh nilai resistor yang
digunakan pada fototransistor
SIMPULAN
Dari hasil penelitian ini dapat diambil kesimpulan sebagai berikut.
1. Telah dapat dibuat sebuah purwarupa densitometer optis portabel berbasis mikrokontroler yang menggunakan komponen yang terdapat di pasar lokal.
2. Dari kalibrasi yang dilakukan menggunakan densitometer digital Victoreen model 07-424, diperoleh hubungan antara tegangan keluaran fototransistor (x) dan densitas optis (y), yaitu
y = 0,0118 x4 – 0,1478 x3 + 0,6395 x2 – 122037 x + 1,2423; dengan koefisien korelasi
R2 = 0,9951.
3. Selisih densitas optis hasil pengukuran purwarupa dengan alat standar, yaitu densitometer digital Victoreen model 07-424, berkisar antara 0,011 sampai dengan 0,045.
Sedangkan ralat relatifnya adalah 3,4% sampai dengan 22,9%.
4. Rentang dapat ukur purwarupa yang dirancang adalah pada step 7 sampai dengan 16 yang bertepatan dengan densitas optis 0,124 sampai dengan 1,242. Rentang dapat ukur ini dapat digeser dengan mengubah nilai resistor pada rangkaian fototransistor.
DAFTAR PUSTAKA
anonim, www.tendt.com
Yaffe, M.S., Shroy, R. E. Jr., Van Lysel, M. J. 2000, “X-Ray.”, dalam The Biomedical Engineering Handbook: Second Edition, Ed. Joseph D. Bronzino, Boca Raton: CRC Press LLC.
