PENGUKURAN KADAR HEMOGLOBIN (Hb) DARAH DENGAN METODE NONINVASIF MENGGUNAKAN LASER
HEMOGLOBIN LEVEL MEASUREMENT WITH NONINVASIVE METHOD USING LASER
Qomaruddin
Research Center for Physic, Indonesian Institute of Sciences Kawasan Puspiptek Gedung 442, Serpong, Tangerang Selatan 15314 qomar_ku@hotmail.com; qomaruddin@lipi.go.id
ABSTRAK
Pengukuran Hb darah umumnya menggunakan metode invasif, namun metode ini memiliki beberapa kekurangan, di antaranya kurang efisien dan kurang ramah bagi pasien yang takut dengan jarum suntik. Banyak penelitian yang telah dilakukan melalui metode dengan perbedaan teknik yang dilakukan. Pulse oximetry, diffuse reflectance spectroscopy, photoplethysmograph, dan digital photography dengan image processing adalah beberapa teknik yang dilakukan untuk mendapatkan kadar Hb dengan metode noninvasif. Penelitian ini bertujuan untuk membuat alat ukur kadar Hb menggunakan laser dengan metode noninvasif. Teknik ini mengadopsi hukum Beer-Lambert tentang spectroscopy, laser sebagai sumber cahaya dan photodetector sebagai sensor optis yang menangkap intensitas cahaya melalui sampel darah. Metode penelitian ini dilakukan dengan cara mengambil sampel darah relawan yang diukur dengan HAMA dan relawan tersebut diukur dengan alat ukur yang telah dibuat. Hasil pengukuran keduanya dijadikan conditional constrain untuk mementukan persamaan matematis sebagai transfer alih antara intensitas cahaya yang ditangkap oleh photodetector dan kadar Hb. Relawan terdiri atas laki-laki dan perempuan dengan rentang umur 20–40 tahun. Alat ukur kadar Hb yang telah dibuat mempunyai tingkat akurasi 91% dan dapat digunakan langsung oleh masyarakat.
Kata kunci: hukum Beer-Lambert, hemoglobin, laser, noninvasif, prototipe
ABSTRACT
Generally, hemoglobin’s (Hb) measurement uses invasive methods, but it has several disadvantages, such as in time efficiency and it is not friendly to those who are afraid of needles. Recently, there were many researches who have been done to measure Hb with non-invasive methods with different techniques. Pulse oximetry, diffuse reflectance spectroscopy, photoplethysmograph, and digital photography with image processing are Hb level measurement techniques with non-invasive methods. This research aims to construct the Hb level measurement instrument called AUHb using laser with non-invasive methods. It adopted Beer-Lambert law on spectroscopy, using laser as a light source and photodetector as an optical sensor that captures intensities of light through blood samples. This technique was done by taking blood samples from the volunteers who measured by HAMA and also measured by AUHb. Both of the measurment results were used as conditional constrain to determine mathematical models as a transfer function between light intensity that captured by photodetector and Hb level. The volunteers consisted of male and female aged between 20–40 years old. The created AUHb has 91%
acuracy rate and could be used by public.
Keywords: Beer-Lambert law, haemoglobin, laser, non-invasive, prototype
PENDAHULUAN
Pengukuran kadar Hb pada umumnya dilakukan dengan cara melukai (invasif). Hal ini mem- punyai beberapa kelemahan, misalnya waktu pengukuran lama karena lokasi pengambilan sampel darah dan alat ukurnya berada pada ruang yang berbeda. Pengukuran model ini juga kurang ramah terhadap pasien yang takut dengan jarum suntik.
Belakangan ini, telah banyak peneliti yang mengembangkan teknik pengukuran Hb dengan cara tidak melukai (noninvasif). Pulse oximetry adalah salah satu cara pengukuran Hb noninvasif, yaitu dengan menggunakan multiwavelength pulse oximetry[1–4] Irvine, CA, sedangkan teknik optoacustic dengan metode pemanfaatan penyerapan gelombang ultrasonik[4–6]. Teknik lain dengan mengukur
karakteristik reflektansi spektrum cahaya yang melewati medium dikenal dengan teknik diffuse reflectance spectroscopy.[7] Teknik optik yang lain, yaitu photoplethysmograph (PPG), menggunakan cahaya sebagai sumber dan photodetector sebagai sensornya. Teknik ini mengukur variasi terkecil dari setiap intensitas cahaya yang dikeluarkan oleh sumber cahaya.
[8] Teknik digital photography merupakan cara memperkirakan jumlah Hb yang mengalir pada permukaan kulit menggunakan kamera digital, yaitu dengan cara menangkap sebuah bayangan cahaya yang dipantulkan oleh bagian dalam kelopak mata.[9]
Penelitian ini bertujuan membuat alat ukur kadar Hb noninvasif menggunakan laser yang dapat digunakan oleh masyarakat. Teknik ini merujuk pada hukum Beer-Lambert tentang spectroscopy, yaitu melewatkan sinar laser pada larutan darah dan mengukur intensitas ca- haya yang melewati darah tersebut.[3,10] Dengan mengetahui intensitas cahaya yang diserap oleh darah, konsentrasi Hb darah dapat diketahui.
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Fisika Universitas Negeri Malang dan Unit Transfusi Darah Cabang (UTDC) PMI cabang Malang.
KAJIAN PUSTAKA
Berkas cahaya yang ditransmisikan pada suatu larutan maka sebagian dari berkas tersebut akan diserap oleh larutan dan sebagian lainnya akan diteruskan atau ditransmisikan.
Intensitas berkas cahaya yang melalui larutan (Io) mempunyai nilai kesebandingan dengan berkas cahaya yang ditransmisikan (Ii).
Hubungan kesebandingan ini sesuai dengan Hukum Beer-Lambert sebagaimana persamaan berikut[3]:
( )
... 1
o i
Log I abc I
=
dengan:
a : koefisien penyerapan larutan
b : panjang jalur optis yang dilalui cahaya c : konsentrasi larutan
Perbandingan Io dan Ii disebut sebagai transmitansi (T) dan hubungan keduanya dinyatakan sebagai berikut:
( )
... 2
o i
T I
=I
Penyerapan (arbsorbance: A) oleh larutan mempunyai hubungan logaritmis dengan transmitansi. Secara matematis dinyatakan dengan persamaan berikut:
1
( )
log ... 3
A= T
Jika ketiga persamaan di atas disubstitusikan maka akan diperoleh hubungan antara pe- nyerapan dan konsentrasi larutan dengan syarat panjang jalur optis dan panjang gelombang (λ) berkas cahaya dibuat konstan.
(4)
Dengan mengukur Io dan Ii, dapat diketahui penyerapan A dan dari penyerapan ini dapat diukur variabel c yaitu konsentrasi larutan[3]. Konsentrasi larutan dapat dihitung meng- gunakan alat spektrometer.
Gambar 1. Penyerapan Sinar oleh Larutan [3]
METODOLOGI
a. Perancangan dan Pembuatan Hardware Laser yang digunakan adalah laser pointer dengan kisaran panjang gelombang 635 nm.
Fotodiode (photodiode) berfungsi sebagai sensor optis yang sangat sensitif terhadap cahaya dengan rentang 400–1100 nm. Kom- ponen pendukung disiapkan sesuai kebutuhan untuk menunjang akuisisi data hingga konversi dan ditampilkan pada monitor. Diagram alur perancangan dan pembuatan perangkat keras tampak pada Gambar 2.
Langkah awal adalah memilih beberapa komponen elektronik pendukung, seperti ADC, op-amp, mikrokontroler, dan lain sebagainya, guna membangun sistem instrumentasi AUHb.
Selanjutnya adalah mengambil sampel darah dari relawan untuk diuji dengan Hematology Analyzer Machine Fully Automated (HAMA).
Relawan tersebut diukur dengan alat yang telah dibuat dengan cara meletakkan probe sensor pada bagian daun telinga. Sampel darah yang telah diletakkan di antara sensor dan laser akan dilalui sinar yang dipancarkan oleh laser di mana sebagian intensitas sinar laser akan diserap dan sebagian lain akan diteruskan serta ditangkap oleh sensor. Intensitas sinar laser yang ditangkap oleh sensor sebanding dengan konsentrasi darah yang dilaluinya. Akusisi data dilakukan dengan cara merekam data analog dari laser sebagai intensitas sinar transmisi yang ditangkap oleh sensor. Bila sinyal mengalami fluktuasi dan terlalu kecil maka rangkaian penyangga (buffer) perlu digunakan dan dikuatkan (amplifikasi), kemudian dikonversi menjadi digital oleh ADC.
Data yang terekam akan diproses sesuai dengan input yang diberikan oleh pengguna (user), berdasarkan jenis kelamin dan umur. Hasil
pengukuran akan diproses dan ditampilkan berdasarkan perhitungan yang telah diprogram, sesuai dengan fungsi transfer hasil dari validasi alat.
b. Validasi Alat
Validasi dilakukan dengan cara mengambil sampel darah relawan kurang lebih 5 mL.
Jumlah sepuluh relawan terdiri atas tiga orang perempuan dan tujuh orang laki-laki dengan rentang umur antara 20–40 tahun. Sampel darah diuji dengan HAMA KX-21 SYSMEX untuk mengetahui kadar hemoglobinnya.
Untuk mengetahui hubungan antara pen- gukuran invasif dan noninvasif, perbandingan hasil pengukuran kedua cara tersebut dilakukan dengan HAMA dan alat ukur Hb (AUHb) yang telah dibuat. Setelah darah relawan diambil dan diukur dengan HAMA, relawan tersebut diukur dengan AUHb.
Pengukuran dilakukan pada bagian tubuh yang tidak bertulang (telinga) dengan AUHb untuk diketahui tegangan keluaran hasil pembacaan alat tersebut. Data tegangan keluaran AUHb yang diperoleh dikorelasikan dengan hasil uji sampel darah menggunakan HAMA untuk dijadikan model (persamaan matematis) pada saat proses pembuatan perangkat lunak (software) dan divalidasi dengan regresi linear, y = mx + c.
c. Pembuatan Software
Hasil validasi digunakan untuk pembuatan pe- rangkat lunak. Hasil tersebut merupakan fungsi transfer persamaan matematis hubungan antara tegangan dan kadar Hb yang akan digunakan untuk memilah jenis masukan berdasarkan Gambar 2. Diagram Pembuatan Perangkat Keras
jenis kelamin dan umur. Perangkat lunak yang digunakan adalah Borlan Delphi 7. Pada tahap ini juga dibuat tampilan interface pada PC/
laptop.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil perancangan dan pembuatan perangkat keras yang terdiri atas laser, sensor optis, dan beberapa komponen pendukung lainnya telah berhasil dilakukan dan dapat digunakan untuk mengukur kadar Hb. AUHb bagian dalam tampak pada Gambar 3a dan AUHb bagian luar tampak pada Gambar 3b.
Data validasi yang tampak pada Tabel 1 menunjukkan bahwa ada hubungan antara te- gangan keluaran AUHb (mV) dan jenis kelamin responden. Data tegangan wanita yang terekam lebih rendah daripada pria. Hal ini sesuai dengan data medis yang menyatakan bahwa kadar Hb wanita lebih rendah daripada pria, yaitu 12–16 gr/dL, sedangkan untuk pria 14–18 gr/dL.[11–16]
Hasil validasi yang diperoleh mempunyai hubungan linear antara HAMA (gr/dL) dan tegangan keluaran AUHb (mV) sesuai dengan
persamaan y=0,1364x + 5,1168 dan dianalisis menggunakan teknik regresi linier. Hasil ini juga dapat digunakan untuk membuat alat yang sama tanpa harus melakukan validasi ulang dengan R2
= 0,9109. Gambar 4 menunjukkan hasil regresi linear yang digunakan sebagai fungsi transfer pada pembuatan perangkat lunak.
Antarmuka (interfacing) yang juga telah dibuat untuk menampilkan hasil pengukuran langsung menggunakan AUHb dengan metode noninvasif dapat dilihat pada Gambar 5.
Pengukuran ini mempunyai hasil yang sama dengan HAMA atau alat sejenis yang berfungsi mengetahui kadar Hb.
KESIMPULAN
Alat ukur kadar Hb telah dibuat dengan menggunakan laser yang mempunyai koefisien determinasi 91% dibandingkan dengan alat ukur pada umumnya. Penelitian ini memiliki beberapa kekurangan, di antaranya adalah keterbatasan waktu dan dana pendukung sehingga tidak bisa meningkatkan jumlah relawan (data) untuk diuji menggunakan alat ukur ini dan HAMA.
Saran untuk penelitian mendatang adalah dengan meningkatkan akurasi dan sensitivitas sensor serta menambah jumlah responden dalam pengambilan sampel.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih disampaikan kepada Kepala Palang Merah Indonesia (PMI) Unit Tranfusi Darah Cabang (UTDC) Kota Malang dan seluruh staf yang telah mengijinkan dan membantu proses validasi dan pengukuran kadar Hb darah selama penelitian berlangsung.
Tabel 1. Data Validasi HAMA dan AUHb
No Nama Jenis Kelamin Umur AUHb (mV) HAMA (gr/dL)
12 3 45 6 7 8 9 10
Relawan 1 Relawan 2 Relawan 3 Relawan 4 Relawan 5 Relawan 6 Relawan 7 Relawan 8 Relawan 9 Relawan 10
P P P L L L L L L L
2425 2130 2235 4224 2823
58,961,8 63,764,1 70,077,7 78,681,0 83,689,4
12,813,6 13,814,6 14,815,1 15,415,8 17,117,6 Gambar 3. Alat ukur kadar Hb yang telah dibuat;
(a) tampak dalam (b) tampak luar
(a) (b)
DAFTAR PUSTAKA
[1] Macknet, M. R., M. Allard, R. L. Applegate, dan J. Rook. 2010. “The Accuracy of Non- invasive and Continuous Total Hemoglobin Measurement by Pulse CO-Oximetry in Human Subjects Undergoing Hemodilution.”
Anesth. Analg. 111(6): 1424–6.
[2] Barker, S. J. dan J. J. Badal. 2008. “The Measurement of Dyshemoglobins and Total Hemoglobin by Pulse Oximetry.” Curr. Opin.
Anaesthesiol. 21(6): 805–810.
[3] Patil, J. J. dan D. G. Maloney. 2014. “Measure- ment of Pulse Oximetry, Capnography, and pH.” Anaesth. Intensive Care Med. 15(11) : 522–525.
[4] S. H. G. Patil, P. S. Ramkumar, G. K. Prabhu, and Babu, A. N. 2014. “Methods and Devices to Determine Hemoglobin Non Invasively : A Review,” Int. J. Sci. Eng. Rechn., 937(3):
934–937.
[5] Brecht, H.-P. F., D. S. Prough, Y. Y. Petrov, I. Y.
Petrova, D. J. Deyo, dan R. O. Esenaliev. 2014.
“Accurate, Noninvasive Measurement of Total Hemoglobin Concentration with Optoacoustic Technique.” Conf. Proc. Annu. Int. Conf. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc.
Annu. Conf; 1 Januari 2004: 375–6.
[6] Esenaliev, R. O., I. V. Larina, K. V. Larin, D. J.
Deyo, M. Motamedi, dan D. S. Prough. 2002.
“Optoacoustic Technique for Noninvasive Monitoring of Blood Oxygenation: A Feasibil- ity Study.” Appl. Opt. 41(22): 4722.
[7] Bender, J. E., A. B. Shang, E. W. Moretti, B.
Yu, L. M. Richards, dan N. Ramanujam. 2009.
“Noninvasive Monitoring of Tissue Hemo- globin Using UV-VIS Diffuse Reflectance Spectroscopy: A Pilot Study.” Opt. Express 17(26): 23396–23409.
[8] Allen, J. 2007. “Photoplethysmography and Its Application in Clinical Physiological Measurement.” Physiol. Meas. 28 (3): R1–39.
[9] Suner, S., G. Crawford, J. McMurdy, dan G. Jay. 2007. “Non-invasive Determination of Hemoglobin by Digital Photography of Palpebral Conjunctiva.” J. Emerg. Med. 33 (2): 105–11.
[10] Merrick, E. dan T. Hayes. 1976. “Continuous Noninvasive Measurement of Arterial Blood Oxygen Levels.” Hewlett-Packard 28(2):
1–10.
[11] Connie, C. W. dan M. D. Hsia. 1988. “Respira- tory Function of Hemoglobin.” N. Engl. J.
Med. 338: 239–248.
[12] Ebben, J. P., D. T. Gilbertson, R. N. Foley, dan A. J. Collins. 2006. “Hemoglobin Level Variability: Associations with Comorbidity, Intercurrent Events, and Hospitalizations.”
Clin. J. Am. Soc. Nephrol. 1(6): 1205–1210.
[13] Abbasi, J. K. A. dan S. Verma. 2004. “Anemia of Chronic Kidney Disease.” J. Clin. Med., 21 (3): 181–195.
[14] B. J. Bain. 2008. Blood Cells: A Practical Guide, Fourth Edition. London: John Wiley
& Sons.
[15] Patel, T. V. dan A. K. Singh. 2010. “Anemia in Chronic Kidney Disease: New Advances.”
Heart Fail. Clin. 6 (3): 347–357.
[16] Gilbertson, D. T., J. P. Ebben, R. N. Foley, E. D.
Weinhandl, B. D. Bradbury, dan A. J. Collins.
“Hemoglobin Level Variability: Associations with Mortality.” Clin. J. Am. Soc. Nephrol. 3 (1): 133–138.
Gambar 5. Tampilan Hasil Pengukuran Langsung AUHb
Gambar 4. Hasil Validasi Antara HAMA dan AUHb
